4-2. 중성미자의 질량과 진동

지금까지의 이야기: 바로 앞 절에서 우리는 표준모형이라는 찬란한 이론의 그림자를 살펴보았다. 중력의 부재, 암흑 물질, 물질-반물질 비대칭, 19개의 설명할 수 없는 숫자들... 이 모든 미해결 문제들 가운데, 가장 먼저 구체적인 실험적 증거가 발견된 것이 있다. 바로 중성미자(neutrino)라는 입자에 관한 이야기이다.

이 절에서 우리는 물리학 역사상 가장 수줍은 입자가 어떻게 물리학자들을 30년 넘게 괴롭혔는지, 그리고 마침내 표준모형의 첫 번째 균열을 어떻게 드러냈는지를 따라가 볼 것이다.

유령 입자 — 지금 이 순간에도 당신을 관통하고 있다

지금 이 글을 읽고 있는 당신의 몸을 매초 약 1000억 개의 중성미자가 관통하고 있다. 손톱 위에 손가락 하나를 올려놓으면, 그 작은 면적을 1초에 약 650억 개의 중성미자가 통과한다. 대부분은 태양에서 날아온 것이다.

그런데 당신은 아무것도 느끼지 못한다. 중성미자는 당신의 몸을 구성하는 원자들, 분자들, 세포들을 아무런 상호작용 없이 유령처럼 그냥 통과해 버린다. 당신의 몸뿐만이 아니다. 중성미자는 지구 전체도 거의 아무런 방해 없이 통과한다!

이것이 얼마나 놀라운 일인지 비유로 느껴보자. 상상해 보라 — 총알을 쏘았는데, 그 총알이 두꺼운 철판을 아무 저항 없이 통과한다. 벽돌벽을 통과한다. 건물 전체를 통과한다. 지구 전체를 통과한다. 심지어 납으로 만든 벽이 1광년(빛이 1년 동안 가는 거리, 약 9조 5천억 km!) 두께라 해도, 대부분의 중성미자는 아무 일 없이 통과한다.

왜 이렇게 유령 같은 입자가 존재하는 걸까? 그리고 이 수줍은 입자가 왜 표준모형을 뒤흔드는 주인공이 되었을까?

핵심 질문: 중성미자는 왜 표준모형의 예측을 깨뜨렸으며, 이것은 물리학에 어떤 의미를 갖는가?