How big is 중성미자?

중성미자는 기본 입자로, 실험으로 알 수 있는 한 더 작은 것으로 이루어져 있지 않다. 전하가 없고 질량이 너무 작아서, 실험으로는 질량의 상한만 정해 놓았다. 크기 역시 측정된 적이 없으므로 위에 표시된 1욕토미터는 측정값이 아니다. 1욕토미터는 10⁻²⁴미터, 곧 1미터의 1조분의 1의 1조분의 1이다.

크기

중성미자에는 측정할 표면이 없다. 대신 물리학자들은 중성미자가 전자에 맞아 어떻게 산란하는지를 살핀다. 전하 반지름이라는 양으로 나타내는 어떤 크기를 가진 중성미자는 점 입자와는 약간 다르게 산란할 것이다.

대만의 TEXONO 실험은 28미터 떨어진 원자로에서 쏟아져 나오는 반중성미자, 곧 중성미자의 반물질 짝을 포착했다. 반중성미자는 실험의 정밀도 안에서, 입자의 표준 이론이 예측하는 대로 전자에 산란했다. 전 세계의 입자 측정값을 모으는 입자 데이터 그룹은 이 2010년 결과를 한계값으로 쓴다. 이 한계는 전하 반지름이 약 1.8 × 10⁻¹⁸미터 미만, 지름으로는 약 3.6 × 10⁻¹⁸미터 미만에 해당한다.

물리학자들은 중성미자의 전하 반지름이 진짜 크기인지를 두고 의견이 갈리므로, 이 수치는 중성미자가 산란하는 방식에 대한 한계로 읽는 것이 가장 알맞다. 이 사이트의 1욕토미터는 이 한계보다 훨씬 작아서, 어떤 실험으로도 그 값을 확인하거나 배제할 수 없다.

크기 비교

양성자는 지름이 약 1.7펨토미터(1.7 × 10⁻¹⁵미터)로, 중성미자의 상한값의 약 460배이다.
지름이 약 0.1나노미터인 수소 원자는 지름이 상한값의 3000만 배에 가깝다. 1나노미터는 1미터의 10억분의 1이다.
상한값을 사람 머리카락의 굵기(약 0.1밀리미터)로 확대한다면, 양성자는 지름이 약 4.6센티미터일 것이다. 같은 비율로 확대한 사람 머리카락은 굵기가 약 280만 킬로미터일 것이며, 이 길이는 지구에서 달까지의 거리의 약 7배이다.
상한값은 약 20만 조(2 × 10¹⁷)배이며, 이는 이 사이트에서 한 단계 더 작은 대상인 플랑크 길이를 기준으로 한 값이다.

유령 입자

볼프강 파울리는 1930년에 베타 붕괴를 설명하려고 중성미자를 제안했다. 베타 붕괴는 원자핵이 전자를 내놓는 방사성 붕괴의 한 종류이다. 에너지가 일부 사라지는 것처럼 보였고, 파울리는 전하가 없는 보이지 않는 입자가 그 에너지를 가져갔다고 제안했다. 엔리코 페르미는 이 입자에 이탈리아어로 “작고 중성인 것”을 뜻하는 ‘neutrino’라는 이름을 붙였다.

중성미자는 물질과 거의 반응하지 않아서 붙잡기가 거의 불가능하다고 여겨졌다. 로스앨러모스의 프레더릭 라이네스와 클라이드 코원은 사우스캐롤라이나주의 서배너강 시설(Savannah River Plant)에서, 그곳 원자로가 쏟아내는 반중성미자의 홍수를 이용해 마침내 중성미자를 검출했다. 이들은 1956년 7월에 발견을 발표했고, 라이네스는 이 업적으로 1995년 노벨 물리학상을 공동 수상했다.

어디에나 있고 아주 가볍다

빛의 입자인 광자 다음으로, 중성미자는 우주에서 가장 흔한 입자이다. 많은 수가 태양의 핵융합으로 만들어진다. 태양에서 온 중성미자 약 660억 개가 지구에서 1초마다 1제곱센티미터에 도달하며, 이를 막는 것은 거의 없다.

중성미자는 전자 중성미자, 뮤온 중성미자, 타우 중성미자의 세 종류가 있다. 가지타 다카아키와 아서 맥도널드는 중성미자가 이동하는 동안 종류가 바뀐다는 사실을 보인 공로로 2015년 노벨 물리학상을 받았다. 종류가 바뀐다는 것은 중성미자에 질량이 있어야 함을 뜻한다. 2025년에 KATRIN 실험은 중성미자의 질량이 0.45전자볼트 미만이라고 보고했다. 전자볼트는 물리학자들이 질량에도 쓰는 에너지 단위이다. 전자의 질량은 이 값의 100만 배가 넘는다.