중성미자의 비밀: 과거와 미래

“중성미자는 매우 작고, 전하도 질량도 없으며, 전혀 상호작용을 하지 않는다.” 존 업디케의 유명한 글에서 두 번의 오류가 있었습니다. 중성미자는 사실 가장 흥미로운 입자 중 하나입니다. 파울리의 유명한 편지를 생각해 보세요. 그는 베타 붕괴에서 에너지 보존의 실패에 대한 “절박한 치료법"으로 중성미자를 제안했습니다. 그는 25년 동안 자신의 중성미자가 관찰되기를 기다렸습니다. 레이 데이비스의 좋은 소식과 나쁜 소식은 그가 태양 중성미자를 성공적으로 감지했지만, 그 수가 너무 적었다는 것이었습니다. 그리고 저는 물리 회의에서 단 한 번만 서면 박수를 보았습니다. - 일본 다카야마의 뉴트리노-98에서, 슈퍼 카미오칸데의 과학자들은 대기 중 중성미자 진동 현상을 발표했습니다. 이는 제가 거의 20년 전에 예상했던 것입니다. 1 캐나다 수드베리 뉴트리노 관측소(SNO)의 과학자들은 몇 년 후 레이의 수십 년 동안 풀리지 않았던 태양 중성미자 문제를 해결했습니다. 앞으로도 많은 첫 페이지를 장식할 뉴트리노 이야기가 나올 것입니다!

한때 유령처럼 신비로웠던 중성미자는 이제 일상적이 되었습니다. 그들은 다양한 출처에서 관찰되고 연구됩니다: 원자로, 가속기, 방사성 붕괴, 지구의 내부, 성층권에서의 우주선 상호작용, 그리고 두 개의 별: 태양과 1987년 초신성입니다. 우리가 중성미자에 대해 배운 것은 세 개의 좌손 중성미자 상태와 상대적으로 적은 조정 가능한 매개변수로 요약될 수 있지만, 많은 의문점이 남아 있습니다.

• 중성미자 질량 스펙트럼은 정상적인가요, 아니면 역전되었나요?
• 질량은 레프턴 수를 위반하는가요 (마조나나 입자), 보존하는가요 (디랙 입자), 또는 둘 다의 특성을 가지고 있나요? 이는 가벼운 단일성 상태인 것으로 알려진 ‘정체 중성미자’를 불러일으킬 수 있습니다.
• 태양 중성미자 문제는 천체 관측, 카트린 실험, 또는 베타 붕괴에서 중성미자가 두 개 없는 현상을 찾는 것을 통해 해결될 것인가요?
• 중성미자 부문에서 관찰 가능한 CP 위반 현상이 있을까요?
• 미래 데이터가 우리의 단순한 모델을 뒤집을까요?

이러한 질문들을 제쳐두고, 저는 간략한 역사적 배경을 살펴보겠습니다.

레프턴-하드론 대칭성의 다섯 시대:

1. (1×1)²: 1920년대, 원자와 그 핵은 단 두 가지 기본 구성 요소로 이루어져 있다고 여겨졌습니다: 양성자와 전자 - 하드론과 레프턴의 첫 번째 단어조차 존재하지 않았습니다.

2. (1×2)²: 중성자가 발견되고 중성미자가 발명되면서 두 번째 시대가 열렸습니다: 핵자 쌍과 레프턴 쌍.

3. (1×3)²: 1959년, 보브 마샤크가 우주선 속에서 이상한 입자와 뮤온을 발견하면서 키예프 대칭성이 제안되었습니다. 기본적인 사카타 삼중항 (양성자, 중성자, 람다)은 레프턴 삼중항 (뉴트리노, 전자, 뮤온)과 비교되었습니다. 하지만 이 시대는 짧게 끝났습니다. 사카타의 삼중항은 세 개의 쿼크로 대체되었고, 1963년 두 번째 뉴트리노의 발견으로 마샤크의 대칭성은 무너졌습니다.

4. (2×2)²: 젤만과 지그문트 자위그가 쿼크를 제안한 직후, 제임스 비르켄과 저는 또 다른 쿼크의 존재를 주장했습니다. 우리의 논리는 순수하게 미적이었습니다: 매력적인 두 개의 쿼크 쌍은 두 개의 레프턴 쌍과 함께 대칭성을 회복시킬 것입니다. 6년이 지난 후 존 일리오풀로스, 루치아노 마야니, 저는 매혹적인 증거를 제시했습니다. 실험적으로 차름이 발견되기까지 또 4년이 걸렸습니다.

5. (3×2)²: J/ψ 입자의 발견 직후, 마르티 퍼르와 레온 레더먼을 이끄는 그룹은 세 번째 기본 페르미온 가족의 절반을 발견했습니다. 상위 쿼크와 타우 뉴트리노는 수십 년 후에야 나타났습니다. 현재 가장 오래 지속되고 있는 대칭성 시대에는 쿼크 삼중항과 레프턴 삼중항이 각각 3개씩 존재합니다.

페르미온 질량과 혼합은 두 개의 쌍 시대보다 현재 세 개의 쌍 시대가 훨씬 복잡합니다. 당시, 두 가족만 있고 뉴트리노 질량이 없다는 상황에서 ‘맛 문제’는 단지 7개의 매개변수로 구성되었습니다: 네 개의 쿼크 질량, 두 개의 전하 입자 질량, 그리고 카비보의 각도. 하지만 2x2 행렬이 3x3 행렬로 바뀌면서 상황은 복잡해졌습니다. 쿼크 질량과 혼합에는 여섯 개의 질량과 네 개의 카비보-코바야시-마스카와 (CKM) 매개변수가 포함됩니다.

중성미자 질량에 대한 탐구: 특징과 제약

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…(본문이 길어 생략되었습니다. 전체 내용은 원문 PDF를 참고하세요.)…