hotchpotch/wikipedia-multilingual-ir-pairs huggingface dataset:
중성미자 없는 이중 베타 붕괴 실험 및 결과
독일 막스 플랑크 핵물리 연구소와 모스크바의 러시아 과학 센터인 쿠르차토프 연구소의 소위 "하이델베르크-모스크바 공동 연구" (HDM; 1990-2003)는 "중성미자 없는 이중 베타 붕괴의 증거"를 발견했다고 주장하여 유명하다(하이델베르크-모스크바 논란). 처음에 2001년 이 공동 연구는 2.2σ 또는 3.1σ (사용된 계산 방법에 따라 다름)의 증거를 발표했다. 붕괴율은 약 년으로 밝혀졌다. 이 결과는 많은 과학자와 저자들 사이에서 논의의 대상이 되어 왔다. 현재까지 다른 어떤 실험도 HDM 그룹의 결과를 확인하거나 승인하지 않았다. 대신, GERDA 실험의 최근 수명 한계 결과는 HDM 공동 연구의 값들을 명백히 지지하지 않고 거부한다.
중성미자 없는 이중 베타 붕괴는 아직 발견되지 않았다.
중성미자 없는 이중 베타 붕괴 실험 및 결과
저마늄 검출기 배열 (GERDA) 공동 연구의 검출기 1단계 결과는 년 (90% C.L.)의 한계값이었다. 이 실험은 저마늄을 원천 물질이자 검출기 물질로 사용했다. 액체 아르곤은 뮤온 차폐 및 배경 방사선 차폐에 사용되었다. 0νββ 붕괴에 대한 76Ge의  값은 2039 keV였지만, 이 영역에서 이벤트 초과가 발견되지 않았다. 실험의 2단계는 2015년에 데이터 수집을 시작했으며, 검출기를 위해 약 36 kg의 저마늄을 사용했다. 2020년 7월까지 분석된 노출량은 10.8 kg yr였다. 다시 신호가 발견되지 않아 새로운 한계값이 년 (90% C.L.)으로 설정되었다. 검출기는 해체되었고 2020년 12월 최종 결과를 발표했다. 중성미자 없는 이중 베타 붕괴는 관찰되지 않았다. 후속 실험은 LEGEND로, 동일한 기술을 사용하여 더 긴 수명에 대한 민감도를 달성한다.
중성미자 없는 이중 베타 붕괴 실험 및 결과
풍화 제논 관측소-200 실험은 제논을 원천 물질이자 검출기로 사용한다. 이 실험은 미국 뉴멕시코에 위치하며, 전자 트랙 침적의 3차원 공간 및 시간 해상도를 위해 시간 투영실 (TPC)을 사용한다. EXO-200 실험은 년 (90% C.L.)의 수명 한계값을 산출했다. 이를 유효 마요라나 질량으로 환산하면, GERDA I 및 II에 의해 얻어진 것과 동일한 수준의 한계값이다.
중성미자 없는 이중 베타 붕괴 실험 및 결과
CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) 실험:
CUORE 실험은 988개의 초저온 TeO2 결정 배열(총 질량 206 kg의 )로 구성되어 있으며, 방출된 베타 입자를 검출하고 붕괴의 원천으로 사용되는 볼로미터 역할을 한다. CUORE는 그란 사쏘 국립 연구소 지하에 위치하며 2017년 첫 물리 데이터 수집을 시작했다. CUORE는 2020년 372.5 kg⋅yr의 총 노출량으로 에서 중성미자 없는 이중 베타 붕괴를 탐색한 결과를 발표했으며, 0νββ 붕괴에 대한 증거를 찾지 못하고 90% 신뢰 수준 베이즈 하한 년을 설정했다. 2022년 4월에는 동일한 신뢰 수준에서 년의 새로운 한계가 설정되었다. 이 실험은 꾸준히 데이터를 수집하고 있으며, 2024년까지 물리 프로그램을 완료할 것으로 예상된다.
KamLAND-Zen (Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector-Zen) 실험:
KamLAND-Zen 실험은 직경 13 m의 액체 섬광 물질 외부 풍선으로 둘러싸인 나일론 풍선 안에 약 320 kg의 로 농축된 13톤의 제논을 원천으로 사용하기 시작했다. 2011년에 시작된 KamLAND-Zen 1단계는 데이터 수집을 시작하여 중성미자 없는 이중 베타 붕괴의 수명에 대한 한계값을 년 (90% C.L.)으로 설정하는 데 이르렀다. 이 한계값은 2단계 데이터(2013년 12월 데이터 수집 시작)와 결합하여 년 (90% C.L.)으로 개선될 수 있었다. 2단계에서는 특히 의 0νββ 붕괴 관심 영역에서 측정치를 방해하던 의 붕괴를 줄이는 데 성공했다. 2016년 8월, 800 kg의 를 포함하는 KamLAND-Zen 800이 완료되어 년 (90% C.L.)의 한계값을 보고했다. 2023년에는 한계값이 년 (90% C.L.)으로 개선되었다.
NuDoubt++:
NuDoubt⁺⁺ 실험은 두-중성미자 및 중성미자 없는 양의 이중 약한 붕괴(2β⁺/ECβ⁺) 측정을 목표로 한다. 이 실험은 하이브리드 및 불투명 섬광체를 새로운 광 판독 기술과 결합한 새로운 검출기 개념을 기반으로 한다. 이 기술은 특히 양전자(β⁺) 신호를 검출하는 데 적합하다. 첫 번째 단계에서 NuDoubt⁺⁺는 농축된 Kr-78 가스를 고압으로 채운 상태에서 작동할 예정이다. 이 실험은 1톤-주 노출 내에서 Kr-78의 두-중성미자 양의 이중 약한 붕괴 모드를 발견할 것으로 예상하며 현재 실험적 한계에 비해 수십 배 향상된 유의미도로 중성미자 없는 양의 이중 약한 붕괴 모드를 탐색할 수 있다. 1톤-주 노출 후, Kr-78에 대해 년 (90% C.L.)의 반감기 민감도가 예상된다. 나중 단계에서는 Xe-124 및 Cd-106에서의 양의 이중 약한 붕괴를 탐색할 수도 있다.
중성미자 없는 이중 베타 붕괴 중성미자 없는 뮤온 변환
뮤온은 와 로 붕괴한다. , , , 와 같이 중성미자 방출이 없는 붕괴는 매우 드물어 금지된 것으로 간주되며, 이러한 붕괴가 관찰되면 새로운 물리의 증거로 간주될 것이다. 여러 실험에서 에 대해 Mu to E Gamma, Comet, Mu2e를, 에 대해 Mu3e를 통해 이러한 경로를 추구하고 있다.
CMS 실험에서는  형태의 중성미자 없는 타우 변환을 탐색했다.
DONUT
DONUT(Direct Observation of the Nu Tau, E872)는 페르미 국립 가속기 연구소에서 타우 중성미자 상호작용을 탐색하기 위해 진행된 실험이다. 이 검출기는 1997년 여름 몇 달 동안 작동하여 타우 중성미자를 성공적으로 검출했다. 이는 표준 모형에 의해 예측된 마지막 렙톤의 존재를 확인시켜주었다. 이 실험에서 얻은 데이터는 타우 중성미자의 자기 모멘트에 대한 상한선을 설정하고 상호작용 단면적을 측정하는 데에도 사용되었다.
DONUT 원리
DONUT에서는 테바트론에 의해 가속된 양성자가 맵시 중간자의 붕괴를 통해 타우 중성미자를 생성하는 데 사용되었다. 자석 및 벌크 물질(대부분 철과 콘크리트) 시스템으로 원치 않는 배경 입자를 최대한 제거한 후, 빔은 여러 장의 핵유제를 통과했다. 매우 드물게 중성미자 중 하나가 검출기에서 상호작용하여, 유제에 눈에 보이는 흔적을 남기고 섬광체와 드리프트 챔버 시스템에 의해 전자적으로 기록될 수 있는 전하를 띤 입자를 생성했다.
전기적 정보를 사용하여 가능한 중성미자 상호작용이 식별되고 추가 분석을 위해 선택되었다. 이는 유제 시트를 사진으로 현상하여 그들을 통과하는 입자가 남긴 모든 흔적이 작은 검은 점으로 나타나도록 하는 것을 의미했다. 이 점들을 연속적인 시트에 연결함으로써 각 입자가 취한 경로가 재구성되고 중성미자 상호작용 가능성이 식별되었다. 중성미자 상호작용의 특징적인 속성은 여러 흔적이 갑자기 나타나고 그들을 따라가는 흔적이 없다는 것이었다. 타우 중성미자는 몇 밀리미터 후 "꺾임"을 보이는 흔적 중 하나로 식별되었는데, 이는 타우 렙톤의 붕괴를 나타낸다.
DONUT 결과
2000년 7월, DONUT 협력단은 타우 중성미자 상호작용의 첫 관측을 발표했다. 이 결과는 단 네 개의 사건을 기반으로 했지만, 신호는 예상 배경(0.34±0.05 사건)을 훨씬 초과했으며, 4×10−4의 p-값을 가졌는데, 이는 약 3.5 시그마에 해당한다. 이는 일반적인 증명의 기준에는 미치지 못하지만, 입자가 존재할 것으로 예상되었기 때문에 일반적으로 받아들여졌다. 2008년 최종 보고서는 총 578개의 중성미자 사건 샘플에서 9개의 타우 중성미자 사건을 식별했다.
그 중요성은 힉스 보손을 제외하고 표준 모형의 유일하게 직접 관측되지 않았던 입자가 타우 중성미자였다는 사실에 있다.
결과 자체 외에도 DONUT은 고에너지 중성미자 검출을 위한 새로운 기술, 특히 핵유제 시트가 철 층과 섞여 상호작용 수가 증가하는 유제 구름 챔버의 유효성을 검증하는 데에도 기여했다.
약한 전하
핵물리학과 원자물리학에서 약한 전하(영어: Weak charge) 또는 드물게 중성 약한 전하(영어: neutral weak charge)는 입자의 표준 모형 약한 상호작용이 Z보손에 결합하는 것을 의미한다. 예를 들어, 주어진 핵 동위원소의 총 약한 전하는 중성자당 약 -0.99이고 양성자당 +0.07이다. 또한 전자 산란 중 패리티 위반의 효과를 보여준다.
이 용어는 때때로 약한 아이소스핀 또는 약한 초전하와 같은 다른 양을 지칭하는 데에도 사용되는데, 이 문서에서는 페르미온이 Z보손에 결합하는 벡터의 정도(즉, 약한 중성 흐름의 결합 강도)를 측정하는 양으로 약한 전하를 사용한다.
약한 전하 경험적 공식
2017년 측정값에 따르면 양성자의 약한 전하는 0.0719±0.0045이다.
약한 전하는 원자핵에서 합산될 수 있으므로, 133Cs (양성자 55개, 중성자 78개)에 대해 예측되는 약한 전하는 55×(+0.0719) + 78×(−0.989) = −73.19이며, 패리티 위반 전자 산란 측정에서 실험적으로 결정된 값은 −72.58이다.
최근 연구에서는 네 가지 짝수 동위 원소 이터븀을 사용하여 약한 전하에 대한 다음 공식을 시험했다.  Qw = −0.989 N + 0.071 Z . 여기서 N은 중성자 수를, Z는 양성자 수를 나타낸다. 이 공식은 170Yb, 172Yb, 174Yb, 176Yb를 사용하여 0.1% 정확도로 일치하는 것으로 나타났다.
이터븀 실험에서 원자는 전기장과 자기장 내에서 레이저 빛에 의해 여기되었고, 그 결과 패리티 위반이 관찰되었다. 관찰된 특정 전이는 6s2 1S0에서 5d6s 3D1 (24489 cm−1)로의 금지된 전이였다. 후자의 상태는 약한 상호작용으로 인해 핵 약한 전하에 비례하는 정도로 6s6p 1P1 (25068 cm−1)와 섞여 있었다.
약한 전하 입자 값
이 표는 전하(이 문서에서는  )로 언급되는 광자와의 결합)의 값을 제공한다. 또한 약한 전하 (Z보손이 페르미온에 결합하는 벡터 부분), 약한 아이소스핀 (W보손과의 결합), 약한 초전하 (이론적인 B보손과의 결합) 및 근사적인 Z보손 결합 인자("이론" 섹션의  및 )도 나열되어 있다.
다른  값에 대해 표시된 변수 보정 항을 추가하지 않으면, 약한 전하에 대한 표의 상수 값은 근사값일 뿐이다. 이 값들은 와인버그 각 이며  인 에너지를 가진 입자들에 대해서는 정확하다. 이 값은 입자 가속기에서 관찰되는 일반적인 약 29° 각도와 매우 가깝다. 포함된 공식은 와인버그 각 가 알려진 경우에 대해 더 정확한 값을 제공한다.
간결성을 위해 표는 반입자를 생략한다. 나열된 모든 입자(전하를 띠지 않는 보손인 광자, Z 보손, 글루온, 힉스 보손 제외)는 동일한 질량과 반대 전하를 가진 반입자를 가진다. 표의 모든 0이 아닌 부호는 반입자의 경우 반전되어야 한다. 페르미온(상위 네 행)에 대해 "왼쪽" 및 "오른쪽"으로 표시된 쌍으로 된 열은 부호가 반전되는 것에 더하여 서로 교환되어야 한다.
약한 전하 입자 값
모든 왼손형 (일반) 페르미온과 오른손형 반페르미온은  이므로 W 보손과 상호작용한다. 이들은 "올바른" 손을 가졌다고 할 수 있다 (즉, W± 상호작용에 대해 "올바른" 손성을 가진다). 반면, 오른손형 페르미온과 왼손형 반페르미온은 약한 아이소스핀이 0이므로 W 보손과 상호작용하지 않는다 (전기적 상호작용 제외). 따라서 이들은 "잘못된" 손을 가졌다고 할 수 있다 (즉, W± 상호작용에 참여하기에 "잘못된" 손성을 가진다). "올바른" 손을 가진 페르미온은 아이소스핀 이중항으로 조직되는 반면, "잘못된" 손을 가진 페르미온은 아이소스핀 단일항으로 표현된다. "잘못된" 손을 가진 입자는 W 보손과 상호작용하지 않지만 (전하 흐름 상호작용 없음), 존재하는 것으로 알려진 모든 "잘못된" 손을 가진 페르미온은 Z 보손과 상호작용한다 (중성 흐름 상호작용).
약한 전하 입자 값
"잘못된" 손을 가진 중성미자(비활성 중성미자)는 아직 관찰되지 않았지만, 기존 탐지기로는 보이지 않으므로 여전히 존재할 수 있다. 비활성 중성미자가 존재한다고 가정하면, 중성미자에 질량을 제공할 수 있는 몇 가지 이론적 메커니즘에서 역할을 할 수 있다고 추측된다 (시소 메커니즘 참조). 위에서 언급한, Z0가 모든 페르미온과 상호작용한다는 진술은 비활성 중성미자가 실험적으로 감지된다면 예외를 삽입해야 할 것이다.
질량을 가진 페르미온은 (아마도) 중성미자를 제외하고는 – 항상 왼손형 및 오른손형 상태의 양자 중첩으로 존재하며, 순수한 카이랄 상태로는 존재하지 않는다. 이러한 혼합은 힉스 장과의 상호작용으로 인해 발생하는데, 힉스 장은 0이 아닌 진공 기댓값으로 인해 약한 아이소스핀 및 초전하의 무한한 공급원 및 싱크 역할을 한다 (자세한 내용은 힉스 메커니즘 참조).
약한 전하 이론적 근거
약한 전하 공식은 표준 모형에서 유도되며 다음과 같이 주어진다.
여기서 는 약한 전하이며,
는 약한 아이소스핀이며,
는 와인버그 각이고, 는 전하이다.
약한 전하에 대한 근사값은 일반적으로 유효한데, 이는 약한 혼합 각도가 일반적으로  29° ≈ 30° , 이고  이며  로 단지  17분의 1보다 조금 더 큰 차이가 나기 때문이다.
이 관계는 쿼크와 렙톤 (기본 입자)에만 직접 적용된다. 이는 약한 아이소스핀이 양성자 및 중성자와 같은 복합 입자에 대해 명확하게 정의되지 않기 때문이며, 부분적으로 약한 아이소스핀이 보존되지 않기 때문이다. 양성자의 약한 아이소스핀을 ⁠++1/2⁠로, 중성자의 약한 아이소스핀을 ⁠−+1/2⁠로 설정하면 약한 전하의 근사값을 얻을 수 있다. 동일하게, 구성 쿼크의 약한 전하를 합산하여 동일한 결과를 얻을 수 있다.
약한 전하 이론적 근거
따라서 중성자에 대한 계산된 약한 전하는 다음과 같다.
위 공식과 29°의 약한 혼합 각도를 사용하여 계산된 양성자의 약한 전하는 다음과 같다.
전하를 띤 렙톤의 거의 0에 가까운 총 약한 전하와 유사하게 매우 작은 값이다 (위 표 참조).
그러나 핵자에 대한 완전한 이론적 계산을 수행할 때 수정 사항이 발생한다. 특히, 나무 수준을 넘어선 파인만 도형(즉, 루프를 포함하는 도형)을 평가할 때, 약한 혼합 각도는 재규격화군에 의한 결합 상수의 흐름과 핵자가 복합 입자라는 사실로 인해 운동량 규모에 따라 달라진다.
약한 초전하 Yw는 다음과 같이 주어진다.
약한 초전하  Yw , 약한 전하  Qw , 및 전하 는 다음 관계를 가진다.
또는 동등하게
여기서 는 왼손형 페르미온 및 오른손형 반페르미온에 대한 약한 초전하이며, 따라서
일반적인 경우, 약한 혼합 각도가 약 30°일 때 그렇다.
약한 전하 이론적 근거
페르미온과 Z 보손 및 광자의 표준 모형 결합은 다음과 같이 주어진다.
여기서
확장은 바일 방정식에서 파생된 (대부분 암시적인) 파울리 행렬을 기저 벡터로 사용한다.
및
B와 W3 보손에 대한 장은 Z 보손 장 와 전자기장  (광자)와 다음과 같이 관련된다.
및
이 관계들을 위 방정식과 결합하고 와 로 분리하면 다음을 얻는다.
왼손형 및 오른손형 페르미온 모두에 존재하는  항은 잘 알려진 전자기 상호작용을 나타낸다. Z 보손과 관련된 항은 페르미온의 카이랄성에 따라 달라지므로 두 가지 다른 결합 강도가 존재한다.
및
그러나 왼손형 및 오른손형 페르미온을 개별적으로 취급하는 대신 페르미온을 단일 입자로 취급하는 것이 더 편리하다. 이 유도에서는 바일 기저를 선택한다.
따라서 위 식은 다음과 같이 간략하게 쓸 수 있다.
여기서
중성미자 속도 측정
중성미자 속도 측정(영어: Measurements of neutrino speed)은 특수 상대성이론의 시험이자 중성미자의 질량 결정을 위해 수행되었다. 천문학적 탐사는 먼 소스에서 동시에 방출된 빛과 중성미자가 지구에 동시에 도달하는지 여부를 조사한다. 지구 기반 탐사에는 동기화된 시계를 사용한 비행 시간 측정과 중성미자 속도를 다른 입자의 속도와 직접 비교하는 것이 포함된다.
중성미자가 질량을 가지고 있다는 것이 확립되었으므로, 운동 에너지 범위가 MeV에서 GeV에 이르는 중성미자의 속도는 특수 상대성이론에 따라 빛의 속력보다 약간 낮아야 한다. 기존 측정에서는 빛의 속도와의 편차에 대한 상한이 약 10−9, 즉 십억 분의 몇으로 나타났다. 이는 허용 오차 내에서 전혀 편차가 없다는 것과 일치한다.
중성미자 속도 측정 개요
오랫동안 입자물리학의 표준 모형 틀 내에서 중성미자는 질량이 없는 것으로 가정되었다. 따라서 특수 상대성이론에 따라 정확히 빛의 속도로 이동해야 한다. 그러나 중성미자 진동이 발견된 이후, 중성미자가 소량의 질량을 가지고 있다고 가정된다. 따라서 중성미자는 빛보다 약간 느리게 이동해야 하는데, 그렇지 않으면 중성미자의 상대론적 에너지가 무한히 커질 것이기 때문이다. 이 에너지는 다음 공식으로 주어진다.
,
여기서 v는 중성미자 속도이고 c는 빛의 속도이다. 중성미자 질량 m은 현재 2 eV/c²로 추정되며, 심지어 0.2 eV/c²보다 낮을 수도 있다. 후자의 질량 값과 상대론적 에너지 공식에 따르면, 빛과 중성미자 사이의 상대적 속도 차이는 고에너지에서 더 작으며, 오른쪽 그림에 표시된 바와 같이 발생해야 한다.
중성미자 속도 측정 개요
지금까지 수행된 비행 시간 측정은 10 MeV 이상의 에너지를 가진 중성미자를 조사했다. 그러나 현재의 시간 측정 정밀도로는 그러한 고에너지에서 상대성이론이 예측하는 속도 차이를 결정할 수 없다. 이러한 측정이 계속 수행되는 이유는 특정 상황에서 빛의 속도에서 훨씬 더 큰 편차가 발생할 수 있다는 이론적 가능성과 관련이 있다. 예를 들어, 중성미자가 초광속 입자의 일종인 타키온일 수 있다고 가정되었는데, 다른 사람들은 이 제안을 비판했다. 가설적인 타키온은 로렌츠 불변성과 양립 가능하다고 여겨지지만, 양자 중력의 추측성 변형에 의해 동기 부여된 로렌츠 불변성 위반 프레임워크에서도 초광속 중성미자가 연구되었다. 예를 들어, 표준 모형 확장에 따르면 로렌츠 위반 중성미자 진동이 발생할 수 있다. 비행 시간 측정 외에도, 이러한 모델은 중성미자 속도의 간접적 결정 및 기타 로렌츠 위반에 대한 현대적 탐사도 허용한다. 이러한 모든 실험은 로렌츠 불변성과 특수 상대성이론을 확인했다.
중성미자 속도 측정 페르미랩 (1970년대)
페르미랩은 1970년대에 뮤온의 속도를 30에서 200 GeV 사이의 에너지에 있는 중성미자 및 반중성미자의 속도와 비교하는 일련의 지상 측정을 수행했다. 페르미랩 협대역 중성미자 빔은 다음과 같이 생성되었다: 400-GeV 양성자가 표적을 때려 파이 중간자와 케이 중간자로 구성된 이차 빔을 생성한다. 그런 다음 그들은 235미터 길이의 진공 붕괴 튜브에서 붕괴한다. 남아있는 강입자는 이차 덤프에 의해 정지되어, 중성미자와 일부 고에너지 뮤온만이 500미터 길이의 지구 및 강철 차폐를 뚫고 입자 검출기에 도달할 수 있다.
양성자는 18.73 ns 간격으로 1 나노초 지속 시간의 뭉치로 전달되기 때문에, 뮤온과 중성미자의 속도를 결정할 수 있었다. 속도 차이는 중성미자 뭉치의 연장과 전체 중성미자 시간 스펙트럼의 변위를 초래할 것이다. 처음에는 뮤온과 중성미자의 속도가 비교되었다.
나중에는 반중성미자도 관측되었다.
빛의 속도와의 편차에 대한 상한은 다음과 같았다:
.
이는 측정 정확도(95% 신뢰 수준) 내에서 빛의 속도와 일치했으며, 이 정확도에서는 중성미자 속도의 에너지 의존성도 발견되지 않았다.
중성미자 속도 측정 초신성 1987A
빛의 속도와의 가장 정확한 일치(2012년 현재)는 1987년 초신성 1987A에서 157000 ± 16000 광년 거리에 있는 7.5에서 35 MeV 사이의 에너지를 가진 전자 반중성미자의 관측을 통해 결정되었다. 빛의 속도와의 편차에 대한 상한은 다음과 같았다:
,
따라서 빛의 속도의 0.999999998배 이상이다. 이 값은 빛과 중성미자의 도착 시간을 비교하여 얻어졌다. 약 3시간의 차이는 거의 상호작용하지 않는 초신성 중성미자가 초신성을 방해받지 않고 통과할 수 있었던 반면, 빛은 더 오랜 시간을 필요로 했다는 상황으로 설명되었다.
중성미자 속도 측정 MINOS (2007)
최초의 지상 절대 전송 시간 측정은 페르미랩의 MINOS (2007)에 의해 수행되었다. 중성미자(소위 NuMI 빔)를 생성하기 위해 그들은 페르미랩 주입기를 사용했는데, 이를 통해 120-GeV 양성자가 스필당 5-6개의 배치로 흑연 표적으로 향했다. 이로 인해 생성된 중간자는 675미터 길이의 붕괴 터널에서 뮤온 중성미자(93%)와 뮤온 반중성미자(6%)로 붕괴했다. 이동 시간은 734 km 떨어져 있는 MINOS 근거리 및 원거리 검출기의 도착 시간을 비교하여 결정되었다. 두 스테이션의 시계는 GPS로 동기화되었으며, 신호 전송에는 긴 광섬유가 사용되었다.
중성미자 속도 측정 MINOS (2007)
그들은 약 126 ns의 중성미자 조기 도착을 측정했다. 따라서 상대 속도 차이는  (68% 신뢰 한계)였다. 이는 빛의 속도의 1.000051±29배에 해당하며, 따라서 분명히 빛보다 빠르다. 주요 오차의 원인은 광섬유 지연의 불확실성이었다. 이 결과의 통계적 유의성은 1.8σ 미만이었으므로, 과학적 발견으로 인정되려면 5σ가 필요하기 때문에 유의미하지 않았다.
99% 신뢰 수준에서 다음과 같이 주어졌다.
,
중성미자 속도는 0.999976c보다 크고 1.000126c보다 낮다. 따라서 이 결과는 아광속 속도와도 양립 가능하다.
중성미자 속도 측정 OPERA (2011, 2012)
OPERA 실험에서는 CERN에서 생성된 10.5 μs 길이의 양성자 추출물로 나뉜 17-GeV 중성미자가 743 km 떨어진 표적에 충돌하는 데 사용되었다. 그런 다음 파이 중간자와 케이 중간자가 생성되어 부분적으로 뮤온과 뮤온 중성미자(CERN Neutrinos to Gran Sasso, CNGS)로 붕괴한다. 중성미자는 730 km 떨어진 그란 사소 국립 연구소 (LNGS)로 계속 이동하며, 그곳에 OPERA 검출기가 위치한다. GPS는 시계를 동기화하고 정확한 거리를 결정하는 데 사용되었다. 또한, LNGS에서는 신호 전송에 광섬유가 사용되었다. 양성자 추출물의 시간 분포는 약 16000개의 중성미자 사건과 통계적으로 비교되었다. OPERA는 빛의 속도로 예상되는 도착 시간보다 약 60 나노초 더 일찍 중성미자가 도착했음을 측정했으며, 이는 중성미자 속도가 빛의 속도보다 빠르다는 것을 나타낸다. MINOS 결과와 달리, 편차는 6σ였으며 따라서 분명히 유의미했다.
중성미자 속도 측정 OPERA (2011, 2012)
가능한 통계적 오차를 배제하기 위해 CERN은 2011년 10월부터 11월까지 뭉쳐진 양성자 빔을 생성했다. 양성자 추출물은 524 ns 간격으로 3 ns의 짧은 뭉치로 나뉘어, 모든 중성미자 사건이 양성자 뭉치와 직접 연결될 수 있도록 했다. 20개의 중성미자 사건 측정 결과 다시 약 62 ns의 조기 도착을 보였으며, 이는 이전 결과와 일치했다. 그들은 분석을 업데이트하고 유의성을 6.2σ까지 높였다.
중성미자 속도 측정 OPERA (2011, 2012)
2012년 2월과 3월에 실험 장비에 두 가지 오류가 있었음이 밝혀졌다: 컴퓨터 카드에 잘못된 케이블 연결이 있어 중성미자가 예상보다 빠르게 나타나게 했다. 다른 하나는 사양을 벗어난 발진기로, 중성미자가 예상보다 느리게 나타나게 했다. 그런 다음 2007년부터 2008년, 2008년부터 2011년, 2011년부터 2012년까지 OPERA와 같은 위치에 있는 LVD 검출기에서 우주 고에너지 뮤온의 도착 시간이 비교되었다. 2008년부터 2011년 사이에 케이블 커넥터 오류가 약 73 ns의 편차를 일으켰고, 발진기 오류가 반대 방향으로 약 15 ns를 일으켰음이 밝혀졌다.
이것과 ICARUS 협력단에 의한 빛의 속도와 일치하는 중성미자 속도 측정(ICARUS (2012) 참조)은 중성미자가 아마도 빛보다 빠르지 않았음을 시사했다.
마지막으로, 2012년 7월 OPERA 협력단은 2009년부터 2011년까지의 데이터에 대한 새로운 분석을 발표했으며, 여기에는 위에 언급된 계측 효과가 포함되어 도착 시간 차이(빛의 속도와 비교하여)에 대한 한계를 얻었다:
나노초,
그리고 속도 차이에 대한 한계:
.
또한 2011년 10월과 11월의 묶인 빔에 대한 해당 새로운 분석도 이 결과와 일치했다:
나노초
오차의 극단에서도 이 결과는 여전히 초광속 중성미자 속도를 허용하지만, 주로 빛의 속도와 일치하며, 속도 차이에 대한  한계는 이전 지상 비행 시간 측정보다 한 자릿수 더 정밀하다.
중성미자 속도 측정 LNGS (2012)
OPERA 및 ICARUS 측정에 이어 LNGS 실험인 보렉시노, LVD, OPERA 및 ICARUS는 2012년 5월 10일에서 24일 사이에 CERN이 또 다른 묶인 빔 재실행을 제공한 후 새로운 테스트를 수행했다. 모든 측정은 빛의 속도와 일치했다. 17-GeV 뮤온 중성미자 빔은 추출당 ~300ns 간격으로 4개의 배치로 구성되었으며, 배치는 ~100ns 간격으로 16개의 뭉치로 구성되었고, 뭉치 폭은 ~2ns였다.
보렉시노 협력단은 2011년 10월~11월의 묶인 빔 재실행과 2012년 5월의 두 번째 재실행을 모두 분석했다.
2011년 데이터의 경우, 36개의 중성미자 사건을 평가했으며, 비행 시간 차이에 대한 상한을 얻었다:
나노초.
2012년 5월 측정의 경우, 새로운 아날로그 소형 지터 트리거링 시스템과 Rb 시계에 연결된 지오데시 GPS 수신기를 설치하여 장비를 개선했다. 그들은 또한 LVD 및 ICARUS와 함께 독립적인 고정밀 측지학 측정을 수행했다. 62개의 중성미자 사건이 최종 분석에 사용될 수 있었으며, 비행 시간 차이에 대한 더 정확한 상한을 제공했다.
중성미자 속도 측정 LNGS (2012)
나노초,
이에 상응하는 것은
(90% C.L.).
LVD 협력단은 2011년 10월~11월의 빔 재실행을 먼저 분석했다. 그들은 32개의 중성미자 사건을 평가했으며, 비행 시간 차이에 대한 상한을 얻었다:
나노초.
2012년 5월 측정에서 그들은 보렉시노 협력단이 제공하는 새로운 LNGS 타이밍 시설과 LVD, 보렉시노, ICARUS가 얻은 측지 데이터를 사용했다(위 참조). 그들은 또한 섬광 계수기와 트리거를 업데이트했다. 48개의 중성미자 사건(50 MeV 이상의 에너지, 평균 중성미자 에너지는 17 GeV)이 5월 분석에 사용되었으며, 비행 시간 차이에 대한 상한을 개선했다.
나노초,
이에 상응하는 것은
(99% C.L.).
2011년 10월~11월의 빔 재실행 분석을 발표한 후(위 참조), ICARUS 협력단은 5월 재실행 분석도 제공했다. 그들은 자체 내부 타이밍 시스템과 CERN-LNGS 간의 타이밍 시스템을 대폭 개선했으며, 보렉시노 및 LVD와 함께 측지 LNGS 측정을 사용하고 보렉시노의 타이밍 시설을 활용했다. 25개의 중성미자 사건이 최종 분석에 평가되었으며, 비행 시간 차이에 대한 상한을 산출했다:
중성미자 속도 측정 LNGS (2012)
나노초,
이에 상응하는 것은
.
빛의 속도보다  이상 빠른 중성미자 속도는 배제된다(95% C.L.).
초기 결과를 수정한 후, OPERA는 2012년 5월 측정 결과도 발표했다.
중성미자 사건 평가를 위해 추가적인 독립적인 타이밍 시스템과 네 가지 다른 분석 방법이 사용되었다. 그들은 빛과 뮤온 중성미자 사이의 비행 시간 차이에 대한 상한(분석 방법에 따라 48~59개의 중성미자 사건)을 제공했다:
나노초,
그리고 빛과 반뮤온 중성미자 사이의 비행 시간 차이(3개의 중성미자 사건):
나노초,
다음 범위에서 빛의 속도와 일치한다:
(90% C. L.).
중성미자 속도 측정 MINOS (2012)
MINOS 협력단은 2007년의 속도 측정에 대해 추가로 연구했다. 그들은 7년 동안 수집된 데이터를 검토하고, GPS 타이밍 시스템과 전자 부품의 지연에 대한 이해를 개선했으며, 업그레이드된 타이밍 장비도 사용했다. 중성미자는 5-6개의 배치를 포함하는 10 마이크로초 스필에 걸쳐 있었다. 분석은 두 가지 방식으로 수행되었다. 첫째, 2007년 측정과 마찬가지로 원거리 검출기의 데이터는 근거리 검출기의 데이터에 의해 통계적으로 결정되었다("Full Spill Approach"):
나노초,
둘째, 배치 자체와 연결된 데이터가 사용되었다("Wrapped Spill Approach"):
중성미자 속도 측정 MINOS (2012)
나노초,
이것은 빛의 속도로 이동하는 중성미자와 일치하며, 2007년 예비 결과를 상당히 개선했다.
정밀도를 더욱 향상시키기 위해 새로운 타이밍 시스템이 개발되었다. 특히, 양성자 빔의 시간 분포를 측정하는 "저항 벽 전류 모니터"(RWCM), CS 원자시계, 이중 주파수 GPS 수신기, 그리고 검출기 지연을 측정하는 보조 검출기가 설치되었다. 분석을 위해 중성미자 사건을 특정 10 μs 양성자 스필과 연결할 수 있었으며, 이를 통해 가능성 분석이 생성된 다음 다른 사건들의 가능성이 결합되었다. 결과:
나노초,
그리고
.
이는 2015년 최종 출판물에서 확인되었다.
중성미자 속도 측정 중성미자 속도의 간접적 결정
표준 모형 확장을 포함하는 로렌츠 위반 중성미자 진동과 같은 로렌츠 위반 프레임워크는 또한 중성미자 속도와 빛의 속도 사이의 편차를 에너지를 측정하고 먼 거리에서 다른 입자의 붕괴율을 측정함으로써 간접적으로 결정할 수 있게 한다. 이 방법을 통해 스티커(Stecker) 등이 얻은 것과 같이 훨씬 더 엄격한 한계를 얻을 수 있다:
.
초광속 중성미자에 대한 더 많은 간접적 한계는 Modern searches for Lorentz violation § Neutrino speed를 참조하라.
표준 모형 확장
표준 모형 확장(영어: Standard-Model Extension, SME)은 표준 모형, 일반 상대성이론, 그리고 로런츠 대칭을 깨는 가능한 모든 연산자를 포함하는 유효 이론이다. 이러한 근본적인 대칭성의 위반은 이 일반적인 틀 내에서 연구될 수 있다. CPT 위반은 로런츠 대칭의 깨짐을 의미하며, SME는 CPT 정리를 깨는 연산자와 보존하는 연산자를 모두 포함한다.
표준 모형 확장 개발
1989년, 앨런 코스텔레츠키와 스튜어트 새뮤얼은 끈 이론에서의 상호작용이 로런츠 대칭의 자발적인 깨짐으로 이어질 수 있음을 증명했다. 이후 연구에 따르면 고리 양자 중력, 비가환 장론, 브레인 우주 시나리오, 무작위 역학 모델 또한 로런츠 불변성의 붕괴를 수반하는 것으로 나타났다. 지난 수십 년 동안 로런츠 위반에 대한 관심이 급증했는데, 이는 양자 중력의 후보 이론들과 다른 이론들에서 발생할 수 있기 때문이다. 1990년대 초, 보손 초끈의 맥락에서 끈 상호작용 또한 CPT 정리를 자발적으로 깰 수 있음이 밝혀졌다. 이 연구는 케이 중간자 간섭계를 이용한 실험이 CPT 위반의 가능한 신호를 탐색하는 데 유망할 것이라고 제안했다.
표준 모형 확장 개발
SME는 로런츠 및 CPT 대칭 위반에 대한 이론적 동기가 주어졌을 때, 이러한 대칭성을 실험적으로 조사하는 것을 용이하게 하기 위해 구상되었다. 1995년에 첫 단계로 유효 상호작용이 도입되었다.
로런츠 깨짐 상호작용은 끈 이론과 같은 구성에 의해 동기 부여되지만, SME에 나타나는 저에너지 유효 작용은 근본적인 이론과 무관하다. 유효 이론의 각 항은 근본적인 이론의 텐서장 기대를 포함한다. 이 계수들은 플랑크 스케일 억제 때문에 작을 것으로 예상되며, 원칙적으로 실험을 통해 측정 가능하다. 처음으로 고려된 경우는 중성 중간자의 혼합이었는데, 그 간섭적인 특성으로 인해 억제된 효과에 매우 민감하기 때문이다.
1997년과 1998년에 돈 콜라데이와 앨런 코스텔레츠키의 두 논문이 평탄한 시공간에서 최소 SME를 탄생시켰다. 이는 표준 모형 입자 스펙트럼 전반에 걸친 로런츠 위반 프레임워크를 제공했으며, 잠재적인 새로운 실험 탐색을 위한 신호 유형에 대한 정보를 제공했다.
2004년에는 곡선 시공간에서 선도적인 로런츠 깨짐 항이 발표되어,
최소 SME의 그림이 완성되었다. 1999년에 시드니 콜먼과 셸던 리 글래쇼는 SME의 특별한 등방성 한계를 제시했다.
고차 로런츠 위반 항은 전자기학을 포함한 다양한 맥락에서 연구되었다.
표준 모형 확장 로런츠 변환: 관찰자 대 입자
입자 변환과 관찰자 변환의 구별은 물리학에서 로런츠 위반을 이해하는 데 필수적이다. 로런츠 위반은 입자 로런츠 변환에 의해서만 다른 두 시스템 간의 측정 가능한 차이를 의미하기 때문이다.
특수 상대성이론에서 관찰자 로런츠 변환은 속도와 방향이 다른 기준 틀에서 이루어진 측정값을 연관시킨다. 한 시스템의 좌표는 다른 시스템의 좌표와 관찰자 로런츠 변환—회전, 부스트 또는 이 둘의 조합—에 의해 관련된다. 각 관찰자는 이 변환이 단순히 좌표 변환이기 때문에 물리학의 법칙에 동의할 것이다. 반면에 동일한 실험이 같은 관성 관찰자에 의해 연구되는 동안 서로 상대적으로 회전하거나 부스트될 수 있다. 이러한 변환은 입자 변환이라고 불리는데, 이는 실험의 물질과 장이 물리적으로 새로운 구성으로 변환되기 때문이다.
표준 모형 확장 로런츠 변환: 관찰자 대 입자
통상적인 진공에서 관찰자 변환과 입자 변환은 간단한 방식으로 서로 관련될 수 있다. 기본적으로 하나는 다른 하나의 역이다. 이러한 명백한 등가성은 종종 능동 변환과 수동 변환의 용어로 표현된다. 그러나 로런츠 위반 이론에서는 이 등가성이 실패하는데, 이는 고정된 배경장이 대칭 깨짐의 원천이기 때문이다. 이러한 배경장은 텐서와 같은 양으로, 선호하는 방향과 부스트 종속적인 효과를 생성한다. 이 장들은 모든 공간과 시간에 걸쳐 확장되며, 본질적으로 고정되어 있다. 배경장 중 하나에 민감한 실험이 회전하거나 부스트될 때, 즉 입자 변환될 때, 배경장은 변하지 않고 측정 가능한 효과가 가능하다. 관찰자 로런츠 대칭은 로런츠 위반 이론을 포함한 모든 이론에서 예상되는데, 이는 좌표 변경이 물리학에 영향을 미칠 수 없기 때문이다. 이러한 불변성은 스칼라 라그랑지언을 올바르게 수축된 시공간 지표와 함께 작성함으로써 장 이론에서 구현된다. 입자 로런츠 깨짐은 이론이 우주를 채우는 고정된 SME 배경장을 포함할 경우 발생한다.
표준 모형 확장 SME 구축
SME는 다양한 항을 포함하는 라그랑지언으로 표현될 수 있다. 각 로런츠 위반 항은 표준 장 연산자와 로런츠 위반 계수라고 불리는 제어 계수를 수축시켜 구성된 관찰자 스칼라이다. 이들은 매개변수가 아니라 이론의 예측이며, 적절한 실험을 통해 원칙적으로 측정될 수 있다. 계수들은 플랑크 스케일 억제 때문에 작을 것으로 예상되므로, 섭동 방법이 적절하다. 일부 경우에는 다른 억제 메커니즘이 큰 로런츠 위반을 숨길 수 있다. 예를 들어, 중력에 존재할 수 있는 큰 위반은 약한 중력장과의 결합 때문에 지금까지 감지되지 않았을 수 있다.
이론의 안정성과 인과성은 상세하게 연구되었다.
표준 모형 확장 자발적 로런츠 대칭 깨짐
장 이론에서 대칭 깨짐을 구현하는 두 가지 가능한 방법은 명시적 깨짐과 자발적 깨짐이다. 로런츠 위반의 형식 이론에서 핵심적인 결과는 2004년 코스텔레츠키에 의해 발표된 것으로, 명시적인 로런츠 위반은 비앙키 항등식과 에너지-운동량 및 스핀 밀도 텐서의 공변 보존 법칙 간의 비호환성으로 이어진다는 것이다. 반면 자발적인 로런츠 깨짐은 이러한 어려움을 회피한다. 이 정리는 로런츠 대칭의 모든 깨짐이 동적인 것이어야 함을 요구한다. 로런츠 대칭 붕괴의 가능한 원인에 대한 형식적인 연구에는 예상되는 난부-골드스톤 모드의 운명에 대한 조사가 포함된다. 골드스톤 정리는 자발적인 깨짐이 질량이 없는 보손을 동반해야 함을 의미한다. 이러한 모드는 광자,
중력자,
스핀 종속 상호작용,
그리고 스핀 독립 상호작용과 암흑 에너지로 식별될 수 있다.
표준 모형 확장 실험적 탐색
어떤 실험에서든 로런츠 위반의 가능한 신호는 SME로부터 계산될 수 있다.
따라서 이는 실험 물리학 전반에 걸쳐 로런츠 위반을 탐색하는 데 놀라운 도구가 되었다. 현재까지 실험 결과는 SME 계수의 상한값 형태로 나타났다. 결과는 다른 관성 기준 틀에 따라 수치적으로 달라지므로, 결과 보고에 채택된 표준 틀은 태양 중심 틀이다. 이 틀은 접근 가능하고 수백 년의 시간 척도에서 관성적이므로 실용적이고 적절한 선택이다.
일반적인 실험은 배경장과 스핀 (물리학) 또는 전파 방향과 같은 다양한 입자 특성 사이의 결합을 탐색한다. 로런츠 위반의 주요 신호 중 하나는 지구에서의 실험이 태양 중심 틀에 대해 필연적으로 회전하고 공전하기 때문에 발생한다. 이러한 움직임은 로런츠 위반에 대한 측정 계수의 연간 및 항성시 변동을 초래한다. 태양 주위 지구의 병진 운동은 비상대론적이므로, 연간 변동은 일반적으로 10−4 계수로 억제된다. 이로 인해 항성시 변동이 실험 데이터에서 찾아야 할 주요 시간 종속 효과가 된다.
SME 계수 측정은 다음을 포함하는 실험으로 이루어졌다.
모든 SME 계수 실험 결과는 로런츠 및 CPT 위반 데이터 표에 정리되어 있다.
레인저 작전
레인저 작전(영어: Operation Ranger)은 네 번째 핵 실험 시리즈였다. 1951년에 수행되었으며, 네바다 핵 실험장에서 수행된 최초의 시리즈였다. 모든 폭탄은 B-50D 폭격기에 의해 투하되었으며 프렌치맨 플랫 (5구역) 상공에서 폭발했다.
이 실험들은 더 적은 양의 귀중한 핵물질을 사용하여 2세대 핵무기를 개발하는 실용성에 중점을 두었다. 이 실험은 '파우스트 작전'이라는 이름으로 계획되었다.
모든 실험은 공중 투하 방식이었기 때문에 정확한 실험 위치는 알려져 있지 않다. 그러나 폭스 실험을 제외한 모든 실험의 예상 접지점은 북위 36° 49′ 32″ 서경 115° 57′ 54″﻿ / ﻿북위 36.82556°  서경 115.96500° ﻿ / 36.82556; -115.96500로 설정되었으며, 폭스 실험은 통제 지점에 대한 피해를 최소화하기 위해 "500피트[150 m] 서쪽, 300피트[91 m] 남쪽"에 설정되었다.
레인저 작전
버스터-쟁글 베이커 실험의 영상은 종종 레인저 에이블 실험으로 잘못 분류된다. 버스터 베이커 실험은 낮에 유카 플랫에서 진행된 반면, 레인저 에이블은 밤에 프렌치맨 플랫에서 진행되었기 때문에 두 실험은 구별할 수 있다. 레인저 작전의 동영상은 기밀 해제된 적이 없다.
레인저 작전 역사
레인저 작전의 주된 목적은 그린하우스 작전을 준비하기 위한 실험을 수행하는 것이었다. 그린하우스에서 시험할 장치가 고폭탄 시스템과 관련하여 비축 단계에 있었기 때문에, 전체 시험 시리즈를 공중 투하 무기를 사용하여 수행할 수 있다고 판단되었다.
이 실험은 네바다 실험장(이후 네바다 핵 실험장, 현재 네바다 국립 보안 지구 또는 NNSS)의 설립으로 이어졌다. 이 실험 시리즈 이후, 태평양 실험장 대신 네바다에서 약 60 TNT 킬로톤 (250 TJ)까지의 실험을 수행하는 것이 적절하다고 여겨졌다.
샌드스톤 작전
샌드스톤 작전(영어: Operation Sandstone)은 1948년에 진행된 핵실험 시리즈이다. 1945년 트리니티, 1946년 크로스로드에 이어 미국의 세 번째 핵실험 시리즈이며, 레인저에 앞선다. 크로스로드 실험과 마찬가지로 샌드스톤 실험은 비키니 환초 대신 에네웨타크 환초의 태평양 시험장에서 수행되었다. 샌드스톤 실험은 미국 원자력위원회가 주관하고 군대는 지원 역할만 했다는 점에서 크로스로드와 달랐다. 샌드스톤 실험의 목적 또한 달랐는데, 핵무기의 영향보다는 새로운 폭탄 설계, 특히 더 효율적인 공중부양 피트를 시험하는 것이 주 목적이었다. 1948년 4월과 5월에 걸쳐 합동 기동 부대 7이 10,366명의 인원(이 중 9,890명은 군인)으로 세 차례의 실험을 수행했다.
샌드스톤 작전
샌드스톤 작전 실험에서 새로운 코어의 성공적인 실험으로 인해 기존 무기의 모든 구성 요소는 구식이 되었다. 세 번째 실험이 수행되기도 전에 기존 코어의 생산은 중단되었고, 모든 노력은 최초의 대량 생산 핵무기가 될 새로운 마크 4 핵폭탄에 집중되었다. 샌드스톤 작전의 결과로 핵분열 물질을 더 효율적으로 사용하게 되면서 미국의 핵 비축량은 1948년 6월 56개에서 1949년 6월 169개로 증가했다.
샌드스톤 작전 기원
핵무기는 제2차 세계 대전 중 맨해튼 계획에 의해 개발되었으며, 생산 시설망과 로스앨러모스 국립연구소의 무기 연구 및 설계 실험실을 만들었다. 두 가지 유형의 폭탄이 개발되었는데, 우라늄-235를 사용하는 포신형 핵분열 무기인 마크 1 리틀 보이와 플루토늄을 사용하는 내파형 핵무기인 마크 3 팻 맨이다.
이 무기들은 실험실에서 막 나온 수준이었다. 생산 준비가 되기 전까지 조립 용이성, 안전성, 신뢰성 및 보관을 개선하기 위한 많은 작업이 남아 있었다. 또한 전쟁 중 제안되거나 권장되었지만 전시 개발의 압력으로 인해 불가능했던 성능 개선 사항도 많았다. 로버트 오펜하이머의 뒤를 이어 로스앨러모스 소장이 된 노리스 브래드버리는 "솔직히 말해서 형편없는 폭탄을 가지고 있었다"고 생각했다.
샌드스톤 작전 기원
플루토늄은 핸퍼드 사이트의 세 개의 250MW 원자로에서 우라늄-238을 조사하여 생산되었다. 이론적으로는 메가와트-일당 0.91 그램 (0.032 oz)의 플루토늄, 즉 한 달에 약 20 킬로그램 (44 lb)을 생산할 수 있었다. 실제로는 1945년에는 생산량이 그 수준에 전혀 미치지 못했으며, 한 달에 4 and 6 킬로그램 (8.8 and 13.2 lb)만 생산되었다. 팻 맨 코어는 약 6.2 킬로그램 (14 lb)의 플루토늄을 필요로 했으며, 이 중 21%가 핵분열했다. 플루토늄 생산량은 1946년 원자로의 흑연 중성자 감속재 팽창으로 인해 감소했다. 이는 맨해튼 계획 과학자 유진 위그너의 이름을 딴 위그너 효과로 알려져 있다.
샌드스톤 작전 기원
이러한 원자로는 핵무기의 중요한 구성 요소인 변조 중성자 개시 장치에 사용되는 폴로늄-210의 생산(비무트-209 조사)에도 필요했다. 600 퀴리의 폴로늄-210(약 132 밀리그램 (2.04 gr))을 생산하기 위해 약 62 킬로그램 (137 lb)의 비무트-209를 100일 동안 조사해야 했다. 폴로늄-210은 반감기가 138일밖에 되지 않으므로, 적어도 하나의 원자로는 계속 가동되어야 했다. 따라서 가장 오래된 B 파일은 미래에 사용할 수 있도록 폐쇄되었다. 문제 조사에는 1946년 대부분이 소요된 후에 해결책이 발견되었다.
우라늄-235는 테네시주 오크리지의 Y-12 공장과 K-25 부지에서 천연 우라늄의 농축을 통해 얻어졌다. 1945년 10월부터 1946년 6월 사이에 전자기 및 기체 동위원소 분리 과정 및 절차 개선으로 우라늄-235 생산량이 월 약 69 킬로그램 (152 lb)으로 증가했는데, 이는 매우 비효율적인 리틀 보이 하나를 만들기에 겨우 충분한 양이었다. 팻 맨은 리틀 보이보다 17.5배 효율적이었지만, 1톤의 우라늄 광석은 플루토늄보다 8배 많은 우라늄-235를 생산할 수 있었고, 그램당 플루토늄은 우라늄-235보다 4~8배 더 비쌌다. 당시 우라늄-235는 그램당 약 26달러였다.
샌드스톤 작전 무기 개발 1945–1948
샌드스톤 시리즈 실험의 목표는 다음과 같았다.
공중부양이란 탬퍼 바로 안쪽에 코어가 있는 대신, 탬퍼와 코어 사이에 공기 틈이 있고 코어가 전선에 매달려 있다는 것을 의미했다. 이는 탬퍼가 코어를 강타하기 전에 더 많은 운동량을 얻을 수 있게 할 것이다. 원리는 망치로 못을 박는 것과 망치 머리를 못에 직접 대고 가능한 한 세게 미는 것과 비슷했다. 이것이 실험실 밖에서 작동하려면 전선은 항공기에서 떨어뜨려도 견딜 만큼 강해야 하지만, 내파의 구형 대칭을 방해하지 않을 만큼 얇아야 했다. 로스앨러모스의 이론 부문, 즉 T 부문은 이미 1945년 3월에 공중부양 코어에 대한 컴퓨터 계산을 수행했다. 공중부양 코어의 사용은 크로스로드 작전 계획 중에 제안되었지만, 대신 기존의 단일 코어 "크리스티" 설계를 사용하기로 결정되었다. 이 설계는 설계자 로버트 크리스티의 이름을 따서 명명되었다. 그러나 샌드스톤에서는 세 가지 실험 중 적어도 두 가지에 공중부양 코어를 사용하기로 결정되었다.
샌드스톤 작전 무기 개발 1945–1948
복합 코어의 동기는 사용 가능한 핵분열 물질을 더 잘 활용하기 위함이었다. 비효율적인 포신형 리틀 보이 대신 내파 무기에 우라늄-235를 사용하는 것은 당연한 발전이었다. 그러나 플루토늄은 우라늄-235보다 비싸고 생산하기 더 어려웠지만, 핵분열로 생성되는 중성자를 더 잘 활용하기 때문에 더 빠르게 핵분열한다. 반면에 우라늄-235의 느린 반응은 초임계 질량의 조립을 허용하여 이론적으로 고출력 무기를 생산할 수 있게 한다. 1945년 7월까지 오펜하이머와 그로브스는 플루토늄 3.25 킬로그램 (7.2 lb)과 우라늄-235 6.5 킬로그램 (14 lb)를 포함하는 복합 코어에 두 재료를 모두 사용하는 것을 고려하고 있었다. 복합 코어는 1946년에 사용 가능해졌다. 이후 로스앨러모스의 우선순위는 모든 우라늄-235 코어의 개발이 되었다. 1948년 1월까지 국가 비축량에는 50개의 코어가 있었는데, 이 중 36개는 복합 크리스티 코어였고, 9개는 플루토늄 크리스티 코어, 5개는 복합 공중부양 코어였다. 새로운 공중부양, 복합 및 우라늄-235 코어를 시험하려면 적어도 세 번의 시험 발사가 필요했다.
샌드스톤 작전 무기 개발 1945–1948
더 효율적인 무기는 덜 효율적인 기폭 장치를 필요로 할 것이다. 이는 더 적은 폴로늄이 필요하다는 것을 의미했다. 샌드스톤 당시 폴로늄-베릴륨 기폭 장치의 국가 비축량은 25 퀴리 이상의 폴로늄을 가진 50개의 A급 기폭 장치와 12~25 퀴리의 폴로늄을 가진 13개의 B급 기폭 장치로 구성되었다. 샌드스톤 중에는 적어도 하나의 실험이 B급 기폭 장치로 수행될 예정이었다.
샌드스톤 작전 준비
실험은 미국 대통령 해리 S. 트루먼에 의해 1947년 6월 27일 승인되었다. 원자력 위원회의 군사 응용 책임자인 제임스 맥코맥 준장과 그의 부관인 제임스 S. 러셀 대위는 7월 9일 로스앨러모스에서 브래드버리와 존 헨리 맨리를 만나 실험 준비를 했다. 그들은 실험이 과학적 성격을 띠고 로스앨러모스가 기술 지도를, 군대가 보급 및 물류 지원을 제공하기로 쉽게 합의했다. 약 2천만 달러에 달하는 실험 비용은 국방부와 원자력 위원회 간에 분담되었다. 존 E. 헐 중장이 실험 사령관으로 지명되었다. 윌리엄 S. 파슨스 해군 소장과 윌리엄 E. 켑너 소장은 크로스로드 작전에서 맡았던 부사령관 역할을 다시 맡았다. 합동 기동 부대 7은 1947년 10월 18일 공식적으로 창설되었다. 헐은 사령관으로서 미국 합동참모본부와 원자력 위원회 모두에 책임이 있었다.
샌드스톤 작전 준비
합동 기동 부대 7은 10,366명의 인원으로 구성되었으며, 이 중 9,890명은 군인이었다. 본부는 약 175명으로 구성되었으며, 이 중 96명은 USS 마운트 매킨리에 승선했다. 나머지는 USS 알베마를, 커티스, 바이로코에 수용되었다. 로스앨러모스 국립연구소의 특수 부서인 J 부서는 핵 실험 관리를 위해 특별히 창설되었다. 원자력 위원회 그룹(태스크 그룹 7.1)은 핵무기를 준비하고 폭파하며 실험을 수행하는 책임을 맡았다. 이 그룹은 J 부서, 미군 특수 무기 프로젝트, 해군 연구소, 해군 병기 연구소, 아곤 국립 연구소, 애버딘 시험장, 원자력 위원회, 에저턴, 저메샤우젠 & 그리거 및 기타 기관에서 온 약 283명의 과학자 및 기술자로 구성되었다.
샌드스톤 작전 준비
각 그룹은 실험의 다른 측면을 다루었다. 해군 병기 연구소는 폭발 측정 실험을 처리했고, 해군 연구소는 방사선 측정 실험을 수행했으며, 아곤 국립 연구소는 감마선 측정을 수행했다. 에저턴, 저메샤우젠, 그리거는 타이밍 및 발사 시스템을 설계하고 설치하기 위해 고용된 계약업체였다. 7개의 실험 무기 조립체와 6개의 코어가 샌페드로, 캘리포니아로 운반되어 1948년 2월 무기 조립함 USS 커티스에 실렸지만, 원자력 위원회는 실험에 3개의 코어만 사용하도록 허가했다.
해군 부대는 태스크 그룹 7.3으로 편성되었다. 구성은 다음과 같다.
출처: Berkhouse et al, Operation Sandstone, p. 40
샌드스톤 작전 준비
1947년 9월, 헐, 10월 14일 실험 책임자로 지명된 러셀, 로스앨러모스 연구소의 합동 기동 부대 7 과학 책임자인 다롤 프로먼은 과학자 및 군 장교 그룹과 함께 태평양의 다양한 제안된 실험 장소를 조사하기 시작했다. 에네웨타크 환초는 10월 11일 실험 장소로 선정되었다. 이 섬은 외딴 곳이었지만 좋은 항구와 활주로를 가지고 있었다. 또한 비키니 환초에서 크로스로드 작전 중에 일어났던 일을 고려할 때, 낙진을 바다로 실어 나르는 해류와 무역풍이 있었다는 중요한 고려 사항이 있었다.