‘유령입자’ 뉴트리노, 그 변신의 신호를 포착하다

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오철우 2015. 10. 07

그림으로 보는 노벨상 2015

지하 실험장치 이용 중성미자 신호 추적한 가지타와 맥도널드, 노벨물리학상 수상

» 그림 1. 중성미자(뉴트리노)는 세 가지의 형태를 띠며 상호 변환할 수 있다는 사실이 발견됐다. 올해 노벨물리학상은 중성미자의 변환을 실험으로 관측한 두 명의 실험물리학자가 받게 됐다. 출처/ 노벨위원회 으로

중성을 띠며 질량을 거의 가지고 있지 않아 포착하기 힘든, 그렇지만 지금 이 순간에도 우리 몸을 무수히 통과하고 있는, 그래서 유령 같은 입자로도 불리는 기본 입자 ‘뉴트리노(중성미자)’. 그 중성미자가 한 가지 형태를 유지하는 게 아니라 날아가는 중에 다른 형태로도 변할 수 있다는, 이른바 ‘중성미자 진동’ 현상을 실험관측을 통해 확인한 일본과 캐나다의 실험물리학자가 올해 노벨물리학상 수상자가 됐다.

» 그림 2. 일본의 가지타 다카아키(56) 도쿄대학교 교수와 캐나다의 아서 맥도널드(72) 퀸스대학교 석좌교수. 출처/ 노벨위원회 스웨덴 노벨위원회는 6일(현지시각) 중성미자의 형태 변환, 즉 중성미자 진동(neutrino oscillations) 현상을 처음 발견한 일본의 가지타 다카아키(56, 梶田隆章, Takaaki Kajita) 도쿄대학교 교수와 캐나다의 아서 맥도널드(72, Arthur B. McDonald) 퀸스대학교 석좌교수를 2015년 노벨물리학상 공동수상자로 선정했다고 밝혔다. 노벨위원회는 수상자 선정 이유와 관련해 이들은 입자물리학의 표준모형에서 질량을 지니지 않을 것으로 예측된 중성미자가 실제로는 질량을 지니고 있음을 중성미자 진동 현상 관측을 통해 보여주어 새로운 물리학으로 나아가는 문을 열었다고 평가했다.

가지타 교수와 연구진은 슈퍼-카미오칸데라는 중성미자 관측 시설에서 오랜 실험을 벌여 1998년에 중성미자의 형태변화(metamorphosis)을 보여주는 새로운 발견을 발표했으며, 맥도널드 교수와 연구진은 캐나다의 중성미자 관측 시설인 서드베리 중성미자 관측소에서 오랜 실험을 벌여 2001년에 비슷한 결론을 제시했다.

▨ 슈퍼-카미오칸데(SK) 공식 홈페이지 http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/index-e.html

▨ 서드베리 중성미자 관측소(SNO) 공식 홈페이지 http://sno.phy.queensu.ca/

김인규 서울시립대 물리학과 교수는 “중성미자는 올해까지 4번에 걸쳐 노벨상 수상자를 배출했을 정도로 중요한 입자이다. 서울대 김수봉 교수 등이 참여해 중성미자 변환 비율을 측정하고 있는 실험도 주목을 받는 분야”라고 말했다 (<한겨레> 10월7일치). 다음은 노벨위원회의 수상 업적 설명자료의 내용을 재구성한 글이다.

잡힐 듯 잡히지 않는 중성미자

노벨위원회가 펴낸 수상 업적 설명자료를 보면, ‘중성미자’ 입자의 존재가 1956년에 처음 확인됐지만(1995년 노벨물리학상 업적), 그 입자가 존재할 것이라는 예측이 나온 것은 한참 전인 1930년이었다. 물리학자 볼프강 파울리(1945년 노벨물리학상 수상자)는 원자핵 붕괴 현상(베타 붕괴)을 에너지 보존 법칙을 지켜 설명하려면 전하를 띠지 않은 지극히 가벼운 입자가 있어야 한다면서 그 존재를 예측했다. 그렇지만 그가 그 입자의 존재를 환영하거나 확신한 것은 아니었다고 한다. 그해 파울리는 동료 과학자들한테 보낸 서신에서 “저는 끔찍한 일을 하고 말았습니다, 검출될 수 없는 어떤 입자를 추정하게 됐으니까요(I have done a terrible thing, I have postulated a particle that cannot be detected)”라고 말한 일은 유명한 일화가 됐다. 이듬해인 1931년에 물리학자 엔리코 페르미(1938년 노벨물리학상 수상)가 베타붕괴 이론을 정식으로 발표했으며, 이 때에 페르미는 파울리가 말했던 그 입자에 ‘중성미자’라는 이름을 붙였다. 중성미자는 전하를 띠지 않으며 질량을 지니지 않는 것으로 알려졌을 정도로 지극히 가볍기에 당시의 검출 장치에서 그 존재를 확인하기 어려운 유령 같은 입자였다.

» 그림 3. 입자물리학 표준모형의 기본입자들을 보여주는 그림. 입자물리학에 따르면, 우주의 물질과 힘은 기본입자들의 상호작용으로 이해된다. 이 그림은 힉스입자를 중심으로 그려졌다. 출처/ Wikimedia Commons, 국립페르미가속기연구소(Fermi Lab) 그동안 여러 연구를 통해, 중성미자의 기원과 성질에 관한 이해도 조금씩 넓어졌는데, 그 기원과 관련해 중성미자는 우주대폭발(빅뱅)의 시기에 대량으로 생성되기도 했지만 현재에도 핵 반응이나 붕괴 때에도 생성된다는 사실이 알려졌다. 그러므로 중성미자는 초신성 폭발이나 태양 내부 핵융합 반응에서도 생성되며, 또한 핵분열 반응이 일어나는 원자력발전소에서도 생성된다. 1956년 처음 검출된 중성미자는 원자력발전소에서 생성된 입자였다고 한다.

▨ 수수께끼: 잡힐 듯 잡히지 않는 유령 같은 입자인 중성미자를 다량으로 검출해 입자의 성질을 연구하기는 여간 어려운 게 아니었다. 당시에 입자물리학의 표준모형 이론에서, 중성미자는 질량 없는 입자로 알려졌는데 실제로 중성미자는 질량 없는 입자인지도 불확실했다. 또한 태양에서는 전자 중성미자가 날아오는데, 실제로 지구에서 관측되는 중성미자의 양은 이론적인 예측값에 비해 때 3분의 1에 그쳐, 나머지 3분의 2는 단순한 계산과 측정의 실수인지 또는 3분의 2의 중성미자에 알려지지 않은 행방이 존재하는지도 중요한 물음이었다.

▨ 관측방법: 포착하기 어려운 중성미자 신호는 어떻게 추적할 수 있을까? 먼저, 다른 잡음 신호를 될수록 줄이려면 검출장치는 깊은 지하로 들어가야 했다. 이번 노벨물리학상 수상자들의 거대 실험장치는 각각 지하 1000 미터와 2100 미터 아래에 건설됐다. 또한 검출 장치는 거대 수조의 구조로 만들어졌다. 1제곱센티미터 면적에 수백 개 입자들이 통과할 정도로 엄청난 양이지만 아무런 반응을 일으키지 않고 흔적 없이 통과하는 중성미자들 가운데에서, 지극히 우연하게 원자핵이나 전자들과 충돌을 하는 경우가 있는데, 이런 지극히 낮은 확률의 충돌사건 때에 매우 약한 복사(빛)가 생성된다. 충돌로 인해 생성된 입자가 빛의 속도로 물속 공간을 날아갈 때 생기는 매우 희미한 파란 섬광 현상은 “체렌코프의 빛”(“Cherenkov light)”이라고 불리는데, 그 미약한 빛 신호를 검출하는 것이 이 장치의 핵심 기능으로서 요구되었다. 미약하게 포착된 빛 신호는 뒤이어 증폭과 계측을 거쳐 분석할 수 있는 데이터로 변환될 수 있다고 한다.

지하 1000m의 슈퍼-카미오칸데 장치

» 그림 4. 일본의 슈퍼-카미오칸데 실험시설의 구조와 관측방법. 출처/ 노벨위원회

포착하기 힘든 중성미자의 신호를 포착하기 위해, 일본의 실험장치는 지하 1000미터로 들어갔다. 슈퍼-카미오칸데(SK) 실험장치는 1996년에 높이 40 미터에 달하는 거대한 수조에 순수 정제한 물 5만 톤을 채운 구조로 건설됐다. 수조의 위와 아래, 벽면에는 1만1000여 개의 빛 신호 검출장비가 설치됐다.

» 중성미자가 물속에서 다른 입자와 충돌할 때 전하를 지닌 입자가 생성되면서 이때에 미약한 파란 빛(체렌코프 복사)이 생성된다. 그 빛 신호를 검출해 분석하면 중성미자의 성질에 관한 정보를 얻을 수 있다. 출처/ 수퍼-카미오칸데 홈페이지

연구진은 중성미자가 수조 물속의 원자핵이나 전자와 우연하게 충돌할 때 생성되는 입자가 빛의 속도로 물속에서 비행할 때 체렌코프 빛(복사) 현상이 일어난다는 점에 착안해, 그 빛 정보를 수많은 검출장비를 이용해 관측했다 (그림5). 체렌코프 빛의 형상과 세기를 분석하면 그 빛을 만들어낸 중성미자의 유형(형태)과 그것이 어느 쪽에서 날아왔는지를 알 수 있었다.

연구진은 슈퍼-카미오칸데 시설에서 수많은 잡음 신호를 걸러내면서 이런 방식으로 포착하기가 그렇게 어렵다는 중성미자의 신호를 초기 2년 동안 5000여 건 검출했으며, 이 데이터를 분석해 중성미자의 성질을 연구했다.

연구진은 위쪽에서 아래쪽으로 날아와 검출된 뮤온 중성미자의 수가 아래쪽에서 위로 날아와 검출된 수보다 더 많다는 사실을 확인했다. 동일한 양으로 관측되어야 하는 중성미자 신호의 수가 이처럼 다른 것은 지구 반대쪽에서 지구를 관통해 관측시설로 날아오는 동안에 애초의 뮤온 중성미자의 일부는 다른 형태인 타우 중성미자로 바뀌어, 결국에 그 수가 다른 방향에서 날아온 뮤온 중성미자의 수보다 훨씬 적게 검출된 것으로 해석됐다. 즉, 이런 결과는 중성미자가 날아가는 동안에 형태의 변환, 즉 중성미자 진동을 보여준다는 것을 실험 데이터로 입증한 것이었다.

» 그림 6. 일본 슈퍼-카미오칸데 실험시설을 소개하는 홍보자료의 일부. 출처/ http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/uploads/kamioka_pamphlet_2014.pdf

지하 2100m의 거대한 공 모양 서드베리관측소(SNO)

» 그림 7. 캐나다의 서드베링 중성미자 관측소(SNO)의 구조와 관측 방법. 출처/ 노벨위원회

1999년에 캐나다에 건설된 서드베리 중성미자 관측소(SNO)는 일본의 슈퍼-카미오칸데 실험 결과를 사실상 뒷받침함으로써, 새로운 발견을 확인하는 데 기여했다. 서드베리 관측소는 일본의 슈퍼-카미오칸데보다 더 깊은 곳으로 들어갔다. 지하 2100 미터 지점에 건설된 이 관측시설에는 지름 18 미터에 달하는 거대한 공 모양 구조물에다 정제한 중수 1000 톤이 채워졌으며, 마찬가지로 중성미자가 일으키는 흔적인 ‘체르넨코프 빛’을 감지하는 광검출기 9500개가 설치됐다 (그림 7, 그림 8).

» 그림 8. 캐나다 서드베리 중성미자 관측소 (SNO)의 내부 구조를 보여주는 그림. 출처/ SNO 캐나다의 관측장치는 태양 내부에서 생성돼 지구로 날아오는 중성미자들을 관측하는 장치로 건설됐는데, 검출은 두 가지 갈래로 이루어졌다. 첫째 전자 중성미자만이 일으키는 빛 신호를 포착하거나, 전자 중성미자, 뮤온 중성미자, 타우 중성미자가 모두 다 일으키는 빛 신호를 따로 포착하는 식으로 두 가지 방식의 신호 데이터를 검출하도록 설계됐다.

신호 검출은 많지 않았다. 계산에 의하면, 1초마다 1평방센티미터 면적을 수백억 개 중성미자가 통과하지만 다른 물질과 반응하지 않고 통과하는 중성미자가 실험장치에서 지극히 우연히 충돌을 일으켜 체르넨코프 빛을 생성하는 경우는 하루 3건 정도에 불과할 뿐이었다고 한다. 오랜 동안에 걸쳐 신뢰할 만한 결론을 도출할 수 있는 데이터가 쌓였다.

연구진은 실험 분석에서, 태양에서 날아오는 전자 중성미자의 신호가 실험장치에 우연히 포착될 것으로 예상한 양에 비해 실제로는 3분의 1 수준으로 검출되었음을 발견했다. 반면에 전자 중성미자, 뮤온 중성미자, 타우 중성미자를 한꺼번에 검출하는 신호의 건수는 예상과 맞아떨어졌다. 이런 두 가지 데이터는 애초에 생성된 전자 중성미자들이 지구로 날아오는 동안에 일부가 다른 형태의 중성미자로 변했을 것임을 보여주는 것으로 해석되었다. 즉, 한 중성미자가 다른 중성미자로 그 형태를 바꿀 수 있음을 보여주는 결과였다.

중성미자에 감춰진 수수께끼들

서로 다른 연구진이 다른 곳에서 독립적으로 수행한 중성미자 검출 실험에서 이처럼 비슷한 결론의 결과가 나오면서, 두 실험은 중성미자가 다른 형태(type)로 변하는 ‘중성미자 진동’을 확인해주는 것으로 받아들여졌다. 또한 질량 없는 것이 다른 형태로 변할 수 없기에, 중성미자 진동 현상이 관측됐음은 곧 중성미자가 질량을 지니는 입자임을 보여주는 것으로 받아들여졌다.

이런 결론은 물리학에서 큰 발견이었다. 노벨위원회는 ‘중성미자 진동’ 현상 발견의 업적을 다음과 같이 평했다.

“중성미자가 질량을 지닌다는 것을 발견한 일은 입자물리학에는 토대를 흔들 만한 것이었다. 물질의 가장 깊숙한 부분을 다루는 표준모형은 이전까지는 엄청난 성공을 거두었으며 20년 넘게 어떤 실험의 도전들에도 흔들리지 않았다. 그러나 표준모형에서 중성미자는 질량 없는(massless) 존재로 다루어져야 했다. 그러므로 [이번 노벨상 수상자들의] 실험들은 표준모형에 있는 결함을 처음으로 분명하게 드러낸 것이었다. 표준모형이 우주의 기본 구성요소들이 어떻게 기능을 하는지에 관한 완결적 이론일 수 없음이 명확해졌다.”

그렇더라도 잡힐 듯 잡히지 않는 중성미자는 지금 베일을 살짝 들추었을 뿐이며 여전히 많은 물음들을 안고 있다. 무엇보다 중성미자들의 질량이 얼마나 되는지는 정확하게 확인되지 않았다. 또한 중성미자의 유형이 지금까지 알려진 대로 셋일 뿐인지 아니면 새로운 유형이 존재할 수 있는지, 또한 중성미자는 다른 입자들과는 다른 어떤 속성을 지니는지, 그런 차이는 어디에서 비롯하는지 등은 앞으로도 계속 풀어야 할 도전적인 물음으로 남았다.

“올해 노벨물리학상을 수상한 발견의 업적은 거의 전적으로 숨겨진 중성미자 세계를 들여다보는 중요한 통찰을 제공했다. 실험은 지금도 계속되고 있으며 중성미자를 포착해 그 속성을 살피려는 활발한 활동이 세계 여러 곳에서 진행되고 있다. 중성미자가 긴밀하게 감추고 있는 비밀들에 대한 새로운 발견들이 이뤄진다면 우주의 역사, 구조, 그리고 미래에 대한 우리의 인식을 바꿔놓을 것으로 기대된다.” ◑

오철우 기자 cheolwoo@hani.co.kr

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