| 초록 |
□ 연구개발 목표 및 내용 ￭ 최종 목표 표준모형에 의하면 중성미자는 질량이 없는 것으로 알려졌으나 최근 직접적인 측정은 아니지만 중성미자 진동에 대한 여러 실험에 의하면 질량을 가진 것으로 알려졌다. 그러나 아직도 반중성미자와 중성미자 사이의 관계, 종류, 질량의 크기 등 풀어야할 내용들이 많이 존재한다. 따라서 우리는 가속기와 지하검출기를 활용하여 중성미자와 반중성미자가 물질 내에서 일으키는 여러 상호작용들을 분석 검토하고, 전자중성미자 발생실험과 뮤온중성미자 손실실험을 통하여 중성미자 질량의 순서와 진동매개변수 δ<sub>CP</sub>를 정확하게 측정하고자 한다. ￭ 전체 내용 최근 중성미자 진동실험의 가장 시급한 목표는 PMNS행렬에 기반을 둔 3개의 중성미자들과의 상관관계를 확실하게 검증하는 것이다. 이들 3개의 중성미자는 전자, 뮤온, 타우중성미자이며, 이들은 질량 중성미자 상태(V<sub>1</sub>, V<sub>2</sub>, V<sub>3</sub>)와 서로 일치하지 않는다. 중성미자 상태와 질량 고유 상태를 연결시켜주는 PMNS행렬은 2개의 질량 제곱의 차와 3개의 혼합각(mixing angle), 1개의 CP-violating phase, δ<sub>CP</sub> 으로 표현된다. T2K실험과 핵발전소의 원자로실험에 의하면 θ<sub>13</sub>혼합각은 작고, 영이 아니라는 것이 정밀하게 측정되었다. 그러나 아직 △m<sup>2</sup><sub>31</sub> 에서 질량 크기순서와 이와 관련된 질량계층(mass-hierarchy)에 대해서는 잘 모른다. 여러 실험을 통하여도 δ<sub>CP</sub>와 △m<sup>2</sup><sub>31</sub> 의 부호는 정확하게 정해지지 않았다. 비록 뮤온과 타우 중성미자 혼합이 거의 최대, 즉 π/4 근처임이 알려졌지만 정확히 π/4인지(뮤온-타우 대칭성), 혹은 보다 크거나 작은지 정확히 알지 못한다. 그러나 지금까지 실험에 의하면, π/4에 더 가까운 것 같다. 3개의 혼합각들과 질량 차의 제곱 항들을 알고 있다면 δ<sub>CP</sub>를 추정 할 수 있다. 최근 T2K실험과 NOvA실험에서도 정확히 알려지지 않았고 어떤 범위 내에 존재한다는 것만 알려졌을 뿐이다. 따라서 Super-Kamiokande데이터를 이용하여 중성미자 질량 계층문제를 분석하고 대기 중성미자만을 이용하여 δ<sub>CP</sub> , △m<sup>2</sup><sub>31</sub>, sin<sup>2</sup>θ<sub>23</sub>, sin<sup>2</sup>θ<sub>13</sub> 에 대한 신뢰도를 정상질량계층과 역 질량계층 하에서 분석, 검토하는 것은 아주 중요하다. □ 연구개발성과 Super-Kamiokande실험에서 maximum likelihood 방법에 기초하여 새로운 재구성 알고리즘이 개발되었다. 기존의 알고리즘과 비교하면 새로운 알고리즘은 이벤트 정점 해상도, 입자 모멘텀 해상도, 입자 식별을 포함한 다양한 metric에서 향상되었다. 따라서 fiducial volume의 정의는 ID벽에서 50cm 이상 재구성된 모든 이벤트를 포함하도록 확장되었다. 그로 인해 이전 분석에서 사용된 200cm 임계값보다 분석에 사용할 수 있는 이벤트 수가 32% 증가했다. 그리고 확장된 fiducial volume에 의한 새로운 알고리즘을 사용하여 SK-IV 대기 중성미자 데이터의 253.9 kton 년 노출을 분석한 결과 이전의 데이터 및 다른 실험 결과와 일치하는 진동 매개 변수의 추정치가 결정됐다. 아울러 정상 질량 계층을 가정하면, 대기 혼합 매개변수의 constraint는 첫 번째 (두 번째) octant에 대해 sin<sup>2</sup>θ<sub>23</sub> =(수식) ,△m<sup>2</sup><sub>32</sub>=(수식) 이고, δ<sub>CP</sub> = (수식)이다. 따라서 위 데이터는 정상 질량 계층에 대한 약한 선호도를 보여주며, 분석 best-fit 지점에서 진동 매개 변수를 가정하여 74.0%의 역 질량 계층에 합당하지 않았고, θ<sub>23</sub> octant에 대한 강한 선호도는 관찰되지 않았다. 그리고 기존 fiducial volume을 가정하더라도 데이터가 축적됨에 따라 새로운 알고리즘에 대한 민감도의 개선은 더욱 분명해진다. 새로운 알고리즘은 SK-IV 데이터를 전부 포함한 3,118.5일에만 적용되었지만 향후의 노력은 이 연구를 다른 Super-Kamiokande 샘플과 실행 기간 2,800일을 추가하여 라이브타임으로 적용할 것이다. □ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 연구 결과 정밀한 혼합각을 포함한 중성미자 진동 현상이 규명된다면 학문적으로 표준모형의 수정이 불가피하고 표준모형을 넘어선 새로운 물리현상의 존재 가능성을 암시함으로써 이에 관련된 분야의 활발한 연구 활동이 기대된다. 또한, 우주 관측과 현대 우주론에 의하면 관측되지 않는 다량의 암흑 물질이 존재하여야 하는데 해당 과제를 수행함으로써 측정될 수 있는 중성미자의 질량은 이에 대한 실마리를 제공할 수 있을 것이다. 더불어 태양과 항성 내에서 일어나는 현상을 좀 더 명확하게 알 수 있고. 아울러 현재 진행되고 있는 가속기에 의한 중성미자 진동실험인 Hyper-Kamiokande실험과 T2KK실험으로도 활용할 수 있다고 사료된다. (출처 : 요약문 2p) |
