노벨상 4번 받은 중성미자…미·일 투자 더하는 이유

2021.05.31 07:00
가지타 다카아키 도쿄대 우주선연구소장 “중성미자는 새로운 우주 망원경”
가지타 소장에게 노벨상을 안겨준 중성미자 검출시설인 ‘슈퍼-가미오칸데’
가지타 다카아키 일본 도쿄대 우주선연구소(ICRR) 소장에게 2015년 노벨 물리학상을 안겨준 중성미자 검출시설인 ‘슈퍼-가미오칸데’ 도쿄대 ICRR 제공

“인류는 먼 우주에서 쏟아지는 빛과 전파, 중력파, 입자 등 다양한 신호를 이용해 천체를 연구하는 '다중신호 천문학'의 시대로 가고 있고 이 가운데 중성미자가 앞으로 이를 주도할 핵심 입자가 될 겁니다.”

 

중성미자는 우주 만물을 구성하는 기본 입자이지만 질량이 거의 없고 전기도 띠지 않아서 세상 대부분의 물질을 그냥 통과한다. 

 

가지타 다카아키(梶田隆章·62) 일본 도쿄대 우주선연구소(ICRR) 소장은  중성미자가 질량이 있는 사실을 발견해 2015년 노벨 물리학상을 받은 이 분야의 석학이다. 가지타 소장은 이달 10일 국내에서 열린 온라인 강연에서 “우주 현상을 다각도로 관측하는 다중신호 천문학에서 중성미자는 새로운 우주 망원경 역할을 하고 있다”고 설명했다. 이 강연은 경북대 고에너지물리연구소가 주최하는 ‘제5회 한국중성미자관측소(KNO) 워크숍 특별세션’으로 열렸다. 

 

중성미자 연구는 노벨 물리학상 수상자를 무려 네 차례나 배출했다. 가지타 소장은 이 가운데 가장 최근 수상자다. 가지타 소장은 전자와 뮤온, 타우 등 세 종류의 중성미자가 서로 자유롭게 형태를 바꾸며 변신한다는 사실을 확인해 중성미자가 질량을 가지고 있음을 처음 확인했다.

 

그보다 앞서 1988년에는 중성미자 빔을 통해 자연계의 기본입자인 쿼크와 기본 힘인 약력을 밝혀낸 과학자들이, 1995년에는 중성미자라는 입자의 존재를 처음 확인한 연구가 노벨상을 받았다. 2002년에는 가지타 소장의 스승인 고시바 마사토시(小柴昌俊) 교수가 중성미자를 최초로 관측해 노벨상을 수상했다.

 

노벨상을 이렇게 네 차례나 받았지만, 중성미자는 여전히 과학자들에겐 불가사의한 연구대상으로 남아있다. 가지타 소장은 e메일로 진행한 인터뷰에서 “중성미자의 질량은 아직도 모른다”며 “우주의 팽창과 물질, 반(反)물질의 비대칭을 설명하기 위해서는 이를 반드시 알아내야 한다”고 말했다.

 

우주는 빅뱅(대폭발) 직후 엄청난 에너지가 발생하며 물질과 반물질을 만들었지만, 현재 우주에는 물질만 남아 있다. 과학자들은 우주에서 빛의 입자(광자) 다음으로 가장 많은 중성미자가 이런 비대칭을 설명할 열쇠를 쥐고 있을 것으로 추정하고 있다. 

 

015년 중성미자가 질량을 가진다는 사실을 확인해 노벨 물리학상을 수상한 가지타 다카아키(梶田隆章·62) 일본 도쿄대 우주선연구소(ICRR) 소장. 도쿄대 ICRR 제공
2015년 중성미자가 질량을 가진다는 사실을 확인해 노벨 물리학상을 수상한 가지타 다카아키 일본 도쿄대 우주선연구소(ICRR) 소장. 도쿄대 ICRR 제공

일본은 중성미자 연구에서 두 차례나 노벨상 수상자를 배출하며 그 가능성을 인지하고 지난해 8000억 원이 투입되는 초대형 검출시설인 ‘하이퍼-가미오칸데’ 구축을 시작했다. 가미오카 광산 지하에 지름 74m, 높이 60m의 거대한 탱크를 설치한 다음 방사성 물질 등 불순물을 없앤 깨끗한 물 26만t(톤)을 채워 우주에서 날아오는 중성미자를 검출할 계획이다. 

 

중성미자는 ‘유령 입자’로 불릴 만큼 다른 물질과 반응하지 않는다. 현재 기술로는 지구를 통과하는 중성미자 1조 개 중 1개 정도를 잡아낼 수 있다. 이렇게 희박한 중성미자 신호를 포착하기 위해 하이퍼-가미오칸데에는 광센서 4만 개가 달린다. 


하이퍼-가미오칸데는 일본 중성미자 연구의 초창기 산실인 가미오칸데와 슈퍼-가미오칸데를 잇는 차세대 검출시설이다. 고시바 교수는 가미오칸데로 1987년 대마젤란은하에서 초신성이 폭발할 때 방출된 중성미자 11개의 흔적을 확인해 노벨상을 받았고, 가지타 소장은 뒤이어 설치된 슈퍼-가미오칸데로 중성미자를 확인했다. 가지타 소장은 “중성미자는 태양 내부에서 일어나는 핵융합 반응이나 초신성 폭발 과정을 연구할 수 있는 유일한 수단”이라고 말했다.

 

일본이 지난해부터 8000억 원을 투입해 구축을 시작한 중성미자 검출시설인 ‘하이퍼-가미오칸데’ 개념도. 지름 74m, 높이 60m의 거대한 탱크에 물 26만t(톤)을 채운다. 도쿄대 ICRR 제공
일본이 지난해부터 8000억 원을 투입해 구축을 시작한 중성미자 검출시설인 ‘하이퍼-가미오칸데’ 개념도. 지름 74m, 높이 60m의 거대한 탱크에 물 26만t(톤)을 채운다. 도쿄대 ICRR 제공

일본만 투자에 나선 건 아니다.  미국도 2027년 가동을 목표로 1조7000억 원을 투입해 ‘지하중성미자실험(DUNE)’ 시설을 짓고 있다. 일리노이주 페르미국립연구소에서 생성되는 중성미자를 1300km 떨어진 사우스다코타주 샌포드 지하 검출기에서 포착한다. 이 검출기에는 액체 아르곤 4만t이 채워진다. 


국내에서는 과학자 10여 명이 이끌고 있는 KNO 추진단을 중심으로 중성미자 검출기 구축을 추진하고 있다. 국내 해발 1000m 정도의 산 지하에 50만t의 초순수 물을 채워 중성미자를 검출하겠다는 계획이다. 만에 하나 실제로 구축되면 세계 최대 규모다. 일본 가속기연구소에서 생성된 날아오는 중성미자 검출까지 고려하면 대구의 비슬산이 최적의 입지로 꼽히고 있다. 추진단은 올해 1월 중성미자 검출시설의 필요성을 담은 보고서를 과학기술정보통신부에 냈다. 세계 최대 중성미자 학회인 ‘뉴트리노 2022’도 유치해 내년 5월 서울에서 개최한다. 

 

유인태 성균관대 물리학과 교수는 “중성미자 연구로 물질과 반물질의 비대칭을 알아내면 중성미자 분야에서 노벨상이 더 나올 수도 있다”고 말했다. 한국이 중성미자 천문학 시대를 이끌 수 있다는 기대감도 있다. 박명구 경북대 천문대기과학과 교수는 “초신성 폭발에서 뿜어내는 에너지의 99%를 놓치고 있다”며 “X선으로 블랙홀을 확인하듯 중성미자로 초신성 폭발 과정을 확인할 수 있을 것”이라고 말했다. 

 

가지타 소장은 “일본 하이퍼-가미오칸데와 한국 KNO의 협력을 통해 중성미자의 비밀을 캐기 위한 과학적 성과는 높이고 검출기 구축 등 기술적 어려움은 줄일 수 있을 것”이라고 기대했다. 

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