JUNO 관측소: 중성미자 질량 비밀을 풀다

가장 포착하기 어려운 입자를 포착하기

Fundamental physics has always relied on a mix of theory and experiments to progress our understanding of the Universe.

오늘날까지도 가장 답하기 어려운 질문 중 하나는 중력의 근본적인 본질과 우주를 이끄는 힘에 관한 것입니다. 답은 거의 불가능에 가까운 입자인 중성미자에 있을 가능성이 높다는 것이 오래전부터 알려져 왔습니다.

중성미자의 본질에 대한 더 깊은 이해는 곧 중국의 메가프로젝트인 JUNO, 즉 장멘 지하 중성미자 관측소 덕분에 이루어질 수 있을 것입니다.

이는 방대한 시설로, 광범위한 국제 협력과 수년간의 준비가 필요했습니다.

이는 미국의 중성미자 검출기인 Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE)의 결과를 보완할 것입니다(이 메가프로젝트에 대한 전체 설명은 링크를 참고하십시오).

출처: DUNE

중성미자란 무엇인가?

Neutrinos are electrically neutral particles with an extremely small mass, so small that it had long been thought to be null.

현재 우리는 중성미자가 왜 질량을 갖는지 알지 못합니다, 다른 입자와는 다른 방식으로 작용하는 것처럼 보인다는 점을 제외하고는

중성미자를 독특하게 만드는 점은 이들이 본질적으로 “유령” 입자이며, 다른 물질과 거의 상호작용하지 않는다는 것입니다. 이는 중성미자가 우주의 4가지 기본 힘 중 중력과 약한 상호작용에만 상호작용하기 때문입니다.

약한 상호작용은 매우 짧은 범위를 가지고, 중력은 저질량 중성미자에 거의 영향을 주지 않기 때문에, 중성미자는 물질을 통과하면서 거의 상호작용하지 않거나 감속되지 않습니다. 그 결과, 중성미자는 거의 빛의 속도에 가깝게 이동합니다.

중성미자는 더 작은 구성 요소로 분해될 수 없는 기본 입자이며, 전자 중성미자, 뮤온 중성미자, 타우 중성미자라는 3가지 종류가 있습니다. 더욱 복잡하게도, 중성미자는 이 3가지 종류 사이를 정기적으로 전환하는 것으로 보입니다.

세 종류의 중성미자 전환은 각 중성미자 유형의 질량과 연결되어 있으며, 물질과 우주 자체의 근본적인 본질에 대한 답을 담고 있습니다.

진동 실험은 태양 중성미자, 대기 중성미자, 원자로 및 가속기에서 발생하는 중성미자와 함께 입자 물리학 표준 모델을 넘어선 물리학에 대한 최초의 증거를 제공했습니다.

4번째 유형의 중성미자가 존재할 가능성도 있습니다, 스테릴 중성미자는 중력만을 통해 물질과 상호작용하므로 다른 중성미자보다 탐지하기 더욱 어렵습니다.

대부분의 중성미자는 핵 반응에 의해 생성됩니다. 별 내부의 핵융합부터 지구 중심의 방사성 붕괴까지. 그리고 인공 원자로 내부에서도 생성되며, 이는 JUNO 설계에 중요한 사실입니다.

그들의 포착이 어려움에도 불구하고, 중성미자는 우주에서 가장 풍부한 입자로 여겨집니다. 대략 매초 수천 조(10¹²) 중성미자가 우리 몸을 통과합니다.

(Fermilab이 만든 전용 웹사이트 “all things neutrinos”에서 중성미자에 대해 더 알아볼 수 있습니다.)

JUNO의 목표 – 중성미자 계층 구조 파악

JUNO는 중성미자 질량 계층 구조, 즉 어떤 중성미자 유형이 어떤 질량을 갖는지에 대한 질문에 답하기 위해 특별히 구축되었습니다.

출처: Berkeley Lab

중성미자의 질량은 측정되었지만, 실제로 측정된 것은 입자의 ‘질량의 제곱’이기 때문에 아직 명확하지 않습니다. 따라서 수학적으로 관측된 결과에 대해 정상 계층 또는 역전 계층이라는 두 가지 가능한 해가 존재합니다.

“우리는 경입자—전자와 그 친척들—가 빅뱅 직후 어떻게 존재하게 되었는지 배우고자 합니다. 이 과정은 왜 우주에 물질이 반물질보다 더 많은지를 설명할 수 있습니다.”

이러한 근본적인 질문에 답하려면 ‘중성미자 혼합각 θ13’이라고 불리는 항의 값이 0보다 크게 나타나야 합니다.

Kam-Biu Luk – UC Berkeley 물리학 교수.

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JUNO 설계

다야베이 원자로 중성미자 실험의 후계자

JUNO’s follow-up work was conducted at the Daya Bay Reactor Neutrino Experiment, which was then being carried out in collaboration with the US Department of Energy, at a time when scientific collaboration with China was less contentious.

출처: Wikipedia

2000년경 대기 및 태양 중성미자의 진동 현상이 노벨상 수상으로 발견된 이후, 다야베이 시설은 2012년에 새로운 중성미자 진동 모드를 최초로 발견했으며, 이는 이전에 언급된 θ13 각을 정밀하게 측정함으로써 설계 목표를 달성했습니다.

적절한 위치 선정

The Daya Bay detector was conceived to detect the neutrinos produced by the Daya Bay Nuclear Power Plant and the Ling Ao Nuclear Power Plant.

출처: ResearchGate

초기에 JUNO는 인근 지역에 건설될 예정이었으나, 제3 원자로(루펑 원자력 발전소)의 건설이 실험에 방해가 될 것으로 판단되었습니다. 이는 인근 원자력 발전소와 일정 거리를 유지해야 하기 때문입니다.

따라서 대신 양장 원자력 발전소와 타이산 원자력 발전소 모두로부터 53km(33마일) 떨어진 장소에 건설되었습니다.

출처: ResearchGate

원자력 발전소와의 거리가 중요한 이유는 중성미자가 물질과 거의 상호작용하지 않지만, 여전히 상호작용하기 때문입니다.

지구 원자들의 전자와의 상호작용은 충분한 거리의 암석을 통과하면서 중성미자 유형 간 진동에 영향을 미칩니다.

다야베이 시설의 2km에 비해 더 긴 거리는 중성미자 진동을 탐지하는 민감도와 능력을 크게 향상시킵니다.

하지만 동시에 충분한 수의 원자로 중성미자를 포착하기 위해서는 훨씬 향상된 차폐와 더 큰 검출기가 필요합니다.

전체 시설은 산 아래 700미터 깊이로 매설되어, 가까운 원자력 발전소에서 발생하는 우주선 사건률을 크게 감소시킵니다.

출처: Global Times

이 설계 선택은 우주선의 영향을 약 10만 배 감소시켜, 중성미자 신호가 혼탁해지는 것을 방지했습니다.

2008년에 제안되어 2013년에 중국 과학원과 광동성의 승인을 받은 JUNO는 2015년에 지하 건설을 시작했습니다.

The detector installation started in 2021년 12월 and was completed in 2024년 12월.

JUNO는 선점적인 이점을 가지고 있으며 물리학 측면에서 독특한 실험 설계를 특징으로 합니다.

중국이 주도하는 국제 협력 프로젝트로서, JUNO는 이 분야에서 중국의 선도적 위치를 더욱 강화할 것입니다.

Global Times

거대한 섬광 풀

The main structure of JUNO resembles a watermelon submerged in water, with the entire sphere forming the world’s most precise and largest neutrino detector.

일반 물질과 중성미자 간의 상호작용을 탐지하기 위해 섬광 액체가 사용됩니다. 중성미자가 이를 충돌하면 에너지가 빛으로 변환됩니다.

출처: The European Physics Journal

이 빛은 20인치 광전증배관(PMT)과 3인치 광전증배관, 케이블, 자기 차폐 코일, 광 차단막 및 기타 부품에 의해 포착되고 증폭됩니다.

JUNO 중심부의 액체 섬광 검출기는 실제 질량이 20,000톤이며, 44미터 깊이의 물 풀 중앙에 위치합니다.

출처: Global Times

직경 41.1미터의 스테인리스 스틸 트러스가 직경 35.4미터의 아크릴 구, 섬광 물질, 20,000개의 20인치 PMT, 25,600개의 3인치 PMT, 전자 전면 회로, 케이블, 반자기 보상 코일 및 광학 패널을 지지합니다.

모든 PMT는 동시에 작동하여 중성미자 상호작용으로부터 발생한 섬광 빛을 포착하고 전기 신호로 변환합니다.

출처: ResearchGate

거대한 부피

Since 2024년 12월, the pool surrounding the system has been filled with ultra-pure water at the rate of 100 tons per hour.

45일 안에 팀은 60,000톤의 초순수 물을 채워, 내부와 외부 아크릴 구 사이의 액체 레벨 차이를 센티미터 수준으로 유지하고 흐름률 불확실성을 0.5% 이하로 유지하여 구조적 완전성을 보장했습니다.

출처: IIHE

이러한 정밀도와 세심한 유지 관리 덕분에 중성미자 탐지는 사건 간 수년이 간격이 있더라도 비교 가능하게 됩니다.

전체 시설은 30년 이상 운영될 것으로 예상됩니다.

“이는 새로운 아이디어와 기술뿐만 아니라 수년간의 신중한 계획, 테스트, 인내가 필요했습니다. 순도, 안정성 및 안전성에 대한 엄격한 요구 사항을 충족하기 위해 수백 명의 엔지니어와 기술자의 헌신이 요구되었습니다.”

Prof. MA Xiaoyan, JUNO Chief Engineer

이 풀은 드문 우주선에 의한 간섭으로부터 검출기를 보호하며, 산 위를 통과하는 신호와 주변 암석의 자연 방사능으로부터 발생하는 신호와 유사한 신호를 차단합니다.

액체 주입은 두 단계로 진행됩니다. 첫 두 달 동안 초순수 물이 중앙 검출기의 내부와 외부 아크릴 구 사이에 채워집니다.

다음 6개월 동안 구 내부의 초순수 물은 액체 섬광으로 교체됩니다.

Global Times

JUNO는 2025년 8월 26일에 20,000톤 액체 섬광 검출기 충전을 성공적으로 완료하고 데이터 수집을 시작했습니다.

국제 협력

JUNO is built by a large international team with more than 700 members from 17 countries and regions. Even the USA is present in the collaboration, through the University of California (7 persons) and the University of Maryland (2 persons), with most of the other international partners being European countries.

생성된 데이터는 중국 고에너지 물리학 연구소, 이탈리아 국립핵물리연구소(CNAF), 러시아 연합 핵연구소, 프랑스 IN2P3 계산센터 등 국제 연구 자원을 통해 처리될 것입니다.

첫 번째 결과

On August 24^th, the first neutrino collision with the scintillating liquid was detected, demonstrating that the facility is now ready to produce scientific data.

출처: EyesOnSci

이 초기 데이터는 JUNO가 기대보다도 더 높은 민감도와 측정 정밀도를 보이며, 예상보다 더 뛰어난 성능을 발휘하고 있음을 시사합니다.

그러나 중성미자 질량에 대한 최초의 구체적인 측정을 확인하려면 몇 주 또는 몇 달이 더 필요하며, 초기 결과를 검증하기 위해 과학 공동체가 더 오랜 시간이 필요합니다.

미래 업그레이드 및 전 세계 중성미자 실험

반중성미자 탐지를 위한 업그레이드

JUNO’s first task is to allow mankind to know for the very first time the actual neutrino mass hierarchy. This has been, for decades, a missing piece of the puzzle to understand subatomic particles, and the foundation of the Universe at large.

JUNO의 첫 번째 과제는 인류가 처음으로 실제 중성미자 질량 계층 구조를 알 수 있게 하는 것입니다. 이는 수십 년 동안 입자 물리학의 퍼즐 조각이 빠져 있었으며, 우주의 근본을 이해하는 기반이었습니다.

답을 얻을 뿐만 아니라 이전보다 훨씬 정밀한 측정을 갖춘 물리학자들은 중성미자 질량을 활용해 아원자 및 양자 물리학의 다른 분야를 더욱 깊이 탐구할 수 있게 됩니다.

향후 JUNO의 높은 민감도는 시설을 업그레이드하여 중성미자에 관한 또 다른 주요 질문, 즉 중성미자가 자체의 반입자(antiparticle)인지 여부를 해결할 수 있게 할 것입니다.

대부분의 입자는 전하와 같은 반대 특성을 가진 반입자를 가지고 있습니다(질량도 반대일 수 있습니다). 그러나 중성미자는 중성이며 질량이 낮아 반중성미자의 정확한 특성이 무엇인지 명확하지 않습니다.

궁극적으로 중성미자 없는 이중 베타 붕괴라는 아직 이론적인 방사성 붕괴 과정을 탐지하고 측정할 수 있게 된다면, 이는 중성미자가 자체의 반입자이며, 마요라나형 입자 또는 마요라나 페르미온이라고도 불리는 것을 증명할 수 있습니다.

Hyper-Kamiokand, DUNE, 및 기타

Hyper-Kamiokand, or Hyper-K, is the successor of Super-Kamiokand, which found in 1998 the first strong evidence of neutrinos’ oscillation between neutrino types. Super-Kamiokande was also instrumental in proving neutrinos have mass.

DUNE이나 JUNO와 달리, 완전히 새로운 중성미자 실험 설계를 구축하려는 프로젝트와는 달리, Hyper-K는 기존 기술의 업그레이드 형태입니다. 이는 2027년 가동을 목표로 하여 미국 DUNE과 거의 동시에 시작될 가능성이 높습니다.

이는 중성미자와 반중성미자 사이의 불균형을 대략적으로 추정하는 데 도움이 될 수 있습니다.

DUNE, Hyper-K 및 JUNO는 이미 건설 중인 중성미자 프로젝트이며, 기타 프로젝트들은 아직 개념 단계에 있지만 입자 물리학에 대한 이해를 더욱 확장시킬 가능성이 있습니다.

그 중 하나는 유럽 프로젝트인 Enhanced NeUtrino BEams from kaon Tagging (ENUBET)으로, 중성미자가 생성될 때마다 발생하는 전하 렙톤을 탐지하려 합니다. 이는 물질과 반물질 사이의 불균형에 대한 이해를 더욱 심화시킬 수 있습니다.

또 다른 프로젝트는 NuTag로, 새로운 실험 기법인 중성미자 태깅을 사용합니다. 이는 새로운 유형의 중성미자 빔라인을 활용하는 것으로, 1979년에 이미 제안되었지만 최근에야 실리콘 검출기가 하드론 소스 빔에 직접 노출되어도 견딜 수 있게 되어 구현이 가능해졌습니다.

결론

JUNO는 수십 년간 답이 없었던 물리학 질문들을 최종적으로 해결하고 이론 물리학의 추가 발전을 가로막아 왔던 문제들을 풀어줄 매우 중요한 과학 실험이 될 가능성이 높습니다.

이는 일상 생활과는 다소 거리가 있어 보일 수 있지만, 우리의 최첨단 기술 중 다수는 중성미자에 대한 더 나은 이해를 필요로 합니다.

예를 들어, Microsoft (MSFT ) 가 최근에 만든 양자 컴퓨팅 칩(Majorana-1)은 마요라나 입자를 이용해 새로운 물질 상태(위상 전도체)를 실제로 창조했으며, 이는 JUNO가 더 잘 이해할 수 있는 입자 유형입니다.

따라서 JUNO와 같은 첨단 국제 과학 프로젝트는 이후 획기적인 혁신으로 이어지는 기본 요소들을 구축하는 역할을 합니다.

중성미자 및 마요라나 입자 혁신가에 투자하기

Microsoft

Microsoft는 세계 최대 규모의 기술 기업 중 하나로, 운영 체제에 대한 사실상 독점과 Office365 소프트웨어, Azure 클라우드 컴퓨팅 시스템, LinkedIn 소셜 미디어, Xbox 및 세계 주요 비디오 게임 스튜디오 등에서 강력한 입지를 가지고 있습니다. 또한 광고 및 프로그래밍 도구(GitHub)에서도 강력한 존재감을 보이고 있습니다.

이 회사는 AI 분야에서도 매우 활발히 활동하고 있으며, 특히 모든 제품에 Copilot AI를 배포하고 있습니다. Microsoft의 AI 노력은 처음에 OpenAI와의 협업을 통해 시작되었으며, 현재는 자체적으로 진행하고 있습니다.

출처: Microsoft

Microsoft는 또한 양자 컴퓨팅 분야에서도 활발히 활동하고 있으며, 최근 발표한 Majorana-1 칩이 눈길을 끕니다. 이 장치는 절대 영도에 가깝게 냉각되고 자기장으로 조정될 때, 위상 초전도 나노와이어를 형성하며, 와이어 끝에 소위 마요라나 제로 모드(MZM)를 포함합니다.

출처: Microsoft

(Microsoft의 모든 사업 활동 및 기회에 대해 자세히 알고 싶다면, 저희가 별도로 준비한 투자 보고서를 참고하십시오.)

Neutrino Energy

While rich in potential future applications, neutrino science seems far from being regularly used for commercial applications. This could be changing, according to a very ambitious German private startup, Neutrino Energy.

이 회사는 중성미자 전압(neutrinovoltaics)이라는 새로운 개념, 즉 주변에 존재하는 중성미자 흐름으로부터 전기를 생산하는 방식을 탐구하고 있습니다. 이는 탄소로 만든 2차원 물질인 그래핀 층을 이용하는데, 자세한 내용은 2D 물질, 예: 그래핀에 대한 완전한 설명을 참고하십시오.

이 방법은 주변 방사선 및 중성미자와 같은 입자에 의해 영향을 받는 그래핀 원자의 지속적인 움직임을 전기로 변환하는 것을 목표로 합니다. 이론적으로는 유망하지만 아직 입증되지 않았으며 고도로 실험적인 단계에 머물러 있습니다. 그래핀에서도 유사 현상이 발생하는데, 중성미자가 원자핵을 “밀어”주는 현상이 DUNE 중성미자 검출기에서 아르곤 원자와 유사하게 나타납니다.

이 회사는 AI의 도움으로 개발된 기술을 시연하기 위해 Powercube라는 첫 번째 프로토타입을 발표했습니다.

이 회사는 인도에 있는 전자 기술 재료 센터(CMET)와 협력하여 “중성미자 전압 기술로 구동되는 자체 충전 전기차”를 만들고자 노력하고 있습니다.

이 개념이 상용화에 얼마나 가까운지는 판단하기 어렵습니다. 현재로서는 잠재적인 전력 출력이나 경제성에 대한 구체적인 정보가 거의 없으며, 이는 아직 개념 단계에 머물러 있습니다. 그러나 현재 시장에서 가장 ‘중성미자 회사’에 가까운 사례라고 할 수 있습니다.