중성미자 비밀 파헤치면 우주의 신비를 풀 수 있는 단초 발견할 수 있어

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지난 6일 스웨덴 왕립과학원 노벨 위원회는 올해의 노벨 물리학상 수상자로 일본 동경대학교의 가지타 다카아키(Takaaki Kajita)교수와 캐나다 퀸즈 대학교의 명예교수인 아서 맥도날드(Arthur McDonald)가 선정되었다고 발표하였습니다.

 

노벨 위원회는 이들의 실험결과가 중성미자(neutrino)가 질량을 갖고 있음을 입증할 수 있는 ‘중성미자 진동’를 발견한 것으로 물질 내부에 대한 물리학적 이해를 완전히 바꾸는 게 만든 점이 높이 평가되여 이번 노벨 물리학상을 수여하게 되었다고 발표하였습니다.

 

1943년 노바 스코샤의 신드니(Syndney)에서 태어난 맥도날드 교수는 헬리팍스(Halifax)의 달하우지 대학교(Dalhousie University) 물리학과에서 학사, 석사를 마친후 미국 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology, Caltech)에서 박사학위를 끝내고, 1989년이후 온타리오주의 퀸즈 대학교(Queen’s University)에서 연구를 계속해 왔으며, 2013년 은퇴후 명예교수가 된 이후 지금까지도 계속 중성미자 관련 연구에 참여하고 있습니다.

 

일본의 슈퍼카미오칸데 실험시설은 중성미자 검출을 위한  장치로는 세계에서 제일 큰 규모를 자랑하며 직경 39.3 m, 높이 41.4 m의 커다란 물 탱크에 약 5만 톤의 물을 담고 있습니다.

 

중성미자(neutrino)란 1930년대에 파울리(Wolfgang Pauli, 1900-1958)와 엔리코 페르미(Enrico Fermi, 1901-1954)라는 당대 최고의 입자물리학자들에 의해 이론적으로 먼저 그 존재가 예견되었던 입자로서 빛의 입자인 광자에 이어서 우주에서 가장 많이 존재하는 두번째 입자로 알려져 있습니다. 하지만, 전기적으로 중성이기 때문에 다른 입자들과 거의 반응을 하지 않아 검출 자체가 매우 힘들어 많은 성질들이 아직도 밝혀지지 않는 신비의 입자이기도 합니다.

 

이러한 이유로 중성미자를 유령입자(ghost particle)라고 부르기도 합니다. 검출할 수 없기에, 당연히 그 존재를 느끼는 것은 불가능하지만, 계산상으로는 초당 약 10억개의 중성미자가 엄지 손가락의 손톱정도의 면적을 통과하고 있습니다. 보이지는 않지만, 이 우주를 빈틈없이 꽉 채우고 있는 물질이 바로 중성미자(neutrino)입니다.

 

이렇게 검출이 어렵기 때문에, 그 존재는 1930년대에 예견되었지만, 실험적으로 그 존재가 증명된 것은 그로부터 20여년이 지난 1956년 원자로에서 방출되어 나오는 반중성미자(antineutrino)를 발견한 코웬(Clyde Cowan, 1919-1974)과 레이네스(Frederic Reines, 1918-1998)에 의해서 였습니다.

 

앞서 말씀드렸듯이 중성미자는 전기적으로 중성이기 때문에, 다른 물질들과 크게 상호작용을 하지 않아 검출하는 작업도 매우 정밀한 측정을 요구합니다. 그렇기 때문에, 일반적인 다른 입자들은 잘 도달할 수 없는 고립된 곳에서 실험을 진행하고 되게 됩니다. 

 

바로 이 점이 중성미자 관련 실험들은 대부분 깊은 땅속에서 이루어지는 이유입니다. 이번 노벨 물리학상을 수상한 두 분의 연구 역시 깊은 땅속에서 이루어진 실험들입니다.

 

가지타 교수의 연구는 일본의 기후현 카미오카 광산의 지하 1천 m 깊이에 1996년에 설치된 슈퍼 카미오칸데(Super Kamio-Kande)라는 초대형 실험시설에서 진행되었습니다.

 

슈퍼 카미오칸데 연구시설은 중성미자 검출을 위한  장치로는 세계에서 제일 큰 규모를 자랑하며 직경 39.3 m, 높이 41.4 m의 커다란 물탱크에 약 5만톤의 물을 담고 있습니다.

 

맥도날드 교수의 연구는 캐나다 온타리오주 서드버리(Sudbury) 지역에 광산에 위치한 Sudbury Neutrino Observatory(SNO)라는 연구시설에서 진행되었습니다.

 

SNO는 캐나다에서는 가장 규모가 큰 중성미자 연구시설로서 퀸즈 대학교(Queen’s University)뿐만 아니라, 밴쿠버의 UBC(University of British Columbia)를 포함한 여러 대학들이 공동으로 연구에 참여하고 있는 곳이며, 맥도날드 교수가 이곳의 연구소장으로 재임하고 계십니다.

 

가지타 교수는 1998년 폐광 내부의 슈퍼 카미오칸데 실험시설을 이용해서 지구 반대편에서 날아온 뮤온 중성미자와 전자 중성미자의 비율이 서로 달라진다는 사실을 실험적으로 입증하였고, 맥도날드 교수의 연구는 태양에서부터 날아오는 중성미자가 날아오는 동안에 서로 다른 종류의 중성미자로 변화한다는 사실을 발견한 것으로 이번 노벨 물리학상을 수상하게 되었습니다.

 

이 두가지 발견은 모두 중성미자라는 입자가 하나의 입자에서 다른 입자의 형태로 변화한다는 것을 보여주는 것으로서, 이는 중성미자가 ‘중성미자 진동(neutrino oscillation)’이라는 양자역학적 변화를 일으킨다는 것을 증명한 것입니다.

 

이것이 노벨상을 받을 만큼 중대한 발견이 되는 이유는 이러한 중성미자 진동은 중성미자가 질량을 갖고 있지 않다면 수학적으로 불가능한 변화로서, 이 실험적 결과들 자체가 중성미자가 질량을 갖는다는 것을 증명한 것이기 때문입니다.

 

1930년대 초, 파울리가 처음으로 중성미자의 존재를 예견한 이래로 오랜 기간동안 물리학자들은 중성미자는 질량을 갖지 않는 입자일 것이라고 생각해왔지만, 이들의 발견을 통해 자연의 기본입자에 대한 생각들을 전면적으로 바꾸게 되는 계기가 되었던 것입니다.

 

비록 중성미자가 질량을 갖는 다는 사실은 입증되었지만, 그 질량이 얼마나 되는지는 아직도 알지 못하며, 현재까지 알려진 세가지 종류의 중성미자들간의 상대적 질량차이를 찾기 위한 실험들이 현재 여러 곳에서 진행중에 있습니다.

 

이렇게 눈에 보이지도 않고, 우리들의 삶에 큰 변화를 주지도 못하는 ‘중성미자’라는 것에 대해서 많은 투자를 통해 그 연구를 진행하고 있는 이유는 바로 중성미자를 이해한다는 것이 작은 알갱이의 성질을 밝히는 것으로 끝나는 것이 아니라 드넓은 우주 전체를 이해할 수 있는 중요한 발견이 될 수 있기 때문입니다.

 

넓은 우주 곳곳에서 만들어지지만, 다른 입자들과 상호작용을 거의 하지 않기 때문에 엄청나게 먼 거리도 에너지의 감쇠없이 나아갈 수 있는 중성미자들은 우주 전체의 중요한 정보들을 포함한 채, 지금 이 순간에도 우리의 몸과 주변을 쉴새 없이 통과해 나가가고 있습니다.

 

안타깝게도 아직 우리에겐 중성미자들의 정보가 그리 많지 않기 때문에, 주위에 흔하며 엄청나게 중요한 정보들을 담고 있는 이들이 그냥 스쳐지나가도록 두고 있을 수 밖에 없는 것입니다.

 

중성미자의 성질을 밝혀나가는 것은 바로 이러한 정보들을 읽어들일 수 있는 능력을 갖게 되는 것입니다.  그러기에 우주의 가장 작은 입자 중의 하나인 중성미자의 성질을 이해한다는 것은, 동시에 우주 전체를 이해할 수 있는 중요한 실마리를 얻게 되는 것이라 할 수 있습니다.

 

이 세상의 전체를 이해하기 위해서 세상에서 가장 작은 입자 알갱이 하나에 주목한다. 이것이 순수 물리학만이 갖을 수 있는 매력이 아닐까 생각합니다.

 

석준영 (비센 학원장)