입자에는 그것과 쌍을 이루는 반입자라는 것이 있습니다. 현재 우주는 입자로 이루어져 있으며 반입자는 거의 존재하지 않습니다. 매우 드물게 우주에서 생겨나 날아오는 경우도 있지만, 지구와 같이 물질이 풍부한 곳에 오면 곧 사라져 버립니다. 입자와 반입자는 만나면 대소멸해 버리기 때문입니다.
그러나 우주 초기에는 입자와 반입자가 같은 수만큼 존재했다고 생각됩니다. 그리고 곧 대소멸을 반복했는데, 왠지 입자만이 남았다고 생각되고 있습니다. 같은 수만 있었음에도 불구하고, 마치 '10억-10억=1'과 같은 부자연스러움이 있습니다. 이 원인의 하나로서 입자와 반입자 사이에 'CP대칭성의 깨짐'이라는 약간의 차이가 있었던 것이 아닐까 생각되고 있습니다.
CP대칭성의 C는 전하(Charge)입니다. 입자와 반입자의 쌍은 예를 들어 전자(-)에 대한 양전자(+), 업쿼크(+)에 대한 반업쿼크(-) 등을 포함합니다. 각각 반대의 전하를 가지고 있지만 다른 성질은 같습니다. 'C의 대칭성을 가진다'란 전하를 반대로 해도 같은 물리현상이 같은 확률로 일어난다는 것입니다.
CP대칭성의 P는 경영(Parity)입니다. 예를 들어 바람 등의 영향이 없는 상황에서 피칭머신에 같은 힘과 동일 회전으로 커브를 던졌을 때 좌우에서의 구부림 상태는 동일하게 될 것. 그럼에도 불구하고 예를 들어 왼쪽만 구부러지는 각도가 크다 등의 차이가 있는 상태를 P대칭성이 깨어지고 있다고 부릅니다(단 실제로는 좌우・상하・전후의 모든 것이 역으로 된 상태라고 생각합니다).
물질을 구성하는 주요 입자인 쿼크에서는 이미 CP 대칭성의 깨짐이 확인되었습니다. 그러나 그것만으로는 현재 우주를 만드는데 필요한 차이의 '1조 분의 1'에 해당합니다. 거기서 주목받고 있는 것이 중성미자입니다. 중성미자와 반중성미자 사이에 큰 CP 대칭성의 깨짐이 존재했던 덕분에 현재 물질 중심의 우주가 되었을 가능성이 있습니다. 그렇다면 무엇이 다른가? 그것은 물리학자 카지타 타카아키의 노벨 물리학상 수상 이유가 된 중성미자 진동의 흔들림 상태입니다.
분자와 원자는 물론이고 원자의 핵에 있는 양성자나 중성자보다 작은 물질의 최소 단위라고 생각되는 것이 소립자입니다. 2022년까지 17종류의 소입자가 발견되었으며 중성미자도 그 중 하나입니다. 중성미자는 렙톤이라는 그룹으로 분류됩니다. 같은 렙톤인 전자 등과 매우 유사한 성질을 갖지만 전하를 갖지 않고 오랜 기간 질량이 0이라고 믿어졌을 정도로 가볍다는 점에서 크게 다릅니다. 왜 이렇게 가벼운 것인지도 남겨진 수수께끼 중 하나입니다.
중성미자는 입자이며 파동입니다. 중성미자 진동에 대한 이해를 높이려면 먼저 양자의 특성을 알아야 합니다. 우리의 일상 세계에서는 생각하기 어렵지만, 모든 소립자는 파동과 입자의 성질을 겸비한 양자입니다. 예를 들어 대기 중성미자는 우주에서 내려오는 입자(우주선)와 대기 중의 입자가 부딪친 결과 태어나는데, 이후 지구에 쏟아질 때는 파동으로 전해집니다.
더욱 이상하게도 이때 중성미자는 '3가지의 파동'이 겹쳐진 상태로 전해집니다. 3가지의 파동은 각각 질량이 다른 탓에 전해지는 진동수(파장)도 다릅니다. 이 때문에 날아가는 동안 조금씩 파동이 어긋나며 요동이 생깁니다. 예를 들어 2개의 음차가 있었을 때, 조금 음정을 어긋나면 소리의 파동이 서로 간섭해 우왕우왕이 되는데 중성미자의 파동에서도 같은 일이 일어나는 것입니다.
이 요동으로 인해 중성미자는 "맛"이라고 불리는 전자 중성미자, 뮤 중성미자, 타우 중성미자라는 3종류를 왕래합니다. 대기 중에서 태어났을 때는 뮤 중성미자였던 것이 긴 거리를 날아가는 동안 타우 중성미자가 되거나 또 뮤중성미자로 돌아가는 것을 반복하는 것입니다. 요동치며 변신하는 것으로부터 '중성미자 진동'이라고 불립니다.
반중성미자도 마찬가지로 중성미자 진동하는데, 중성미자의 경우와 차이를 조사하여 CP 대칭성의 깨짐을 확인할 수 있습니다. 현재 가동 중인 슈퍼 카미오칸데에서도 295km 떨어진 이바라키현 나카군 도카이 촌의 J-PARC 가속기로부터의 인공 중성미자 빔을 이용한 'T2K 실험'을 실시하고 있으며 이미 도중 단계의 성과를 보고했습니다. 하이퍼 카미오칸데에서는 이 J-PARC의 빔 강도를 2.5배로 증강시켜 데이터량의 부족에 의한 오차를 줄이고 측정수를 늘려 더욱 신뢰도를 높여 나갈 예정입니다.
지금까지의 실험결과로부터 CP대칭성의 깨짐, 즉 중성미자와 반중성미자의 차이는 '최대에 가까운 것'으로 기대되고 있습니다. 만약 깨짐이 최대라면 하이퍼 카미오칸데 실험 개시로부터 3년 정도에 발견이 되어 깨짐 크기의 측정이 가능해질 것입니다. 최대가 아닌 경우에도 10년 사이에 깨짐 유무를 판별할 수 있을 것으로 전망되고 있습니다.
출처 참조 번역
- Wikipedia
- 私たちが存在するのは
ニュートリノのおかげ？
https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/hk/special/yonde03/
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