남극 얼음 밑 우주의 유령 중성미자

1. 서론

남극의 얼음 밑에서 우주의 유령이라고 불리는 중성미자를 또 찾았다고 합니다.

중성미자란 다른 은하에서 온 것이라고 하며 2017년 관측에 이어서 이번에 두 번째로 발견한 성과라고 합니다. 중성미자로 인하여 새로운 천문학 시대가 열릴 것이라고 합니다. 과학자들은 중성미자를 분석하면 우주가 어떻게 생겨났고 진화했는지 더 자세히 알 수 있다고 합니다.

2. 중성미자란?

중성미자란 약력과 중력에만 반응하는 질량이 아주 작은 입자를 말합니다. 

질량이 없다고 여겨졌으나 시간이 지나면서 중성미자의 세대가 변하는 중성미자 진동이라는 현상이 발견되어 질량이 있는 것이 확인되었습니다. 하지만 가벼워서 질량이 어느 정도 되는지 측정하지 못하고 있다고 합니다. 약력과 중력에만 반응하여서 물질들을 통과하면서도 반응을 잘 안 하게 됩니다. 때문에 다른 입자들에 비하여 검출이 힘들다고 합니다.

 

2011년 9월에 중성미자가 빛보다 빠르게 움직인다는 기사가 나왔으나 며칠 뒤 실험 오류로 판정되었다는 기사가 다시 나왔습니다. 중성미자가 빛보다 빠르다는 이야기도 있는데 그 이야기는 가짜라고 합니다.

3. 중성미자는 왼손잡이 입자만 존재한다.

중성미자는 많은 과학자들이 관측한 끝에 관측된 중성미자들은 전부 왼손잡이들 뿐이었다고 합니다.

중성미자는 다른 입자들과는 다르게 왼손잡이만 있고 오른손잡이가 보이지 않습니다. 입자는 양자역학적 의미에서 스핀을 하는데 중성미자의 경우에는 앞으로 진행하면서 왼쪽 방향으로 자전하는 왼손잡이만 있고 그 반대 방향인 오른손잡이는 지금까지 눈에 띄지 않았다고 합니다. 입자가 질량을 가지려면 오른손잡이와 왼손잡이가 모두 있어야 합니다. 따라서 한 가지 방향으로만 스핀 하는 중성미자는 질량을 가질 수 없다고 판단하였다고 합니다.

 

이렇듯이 중성미자 물리학 분야의 최대 미스터리가 바로 오른손잡이 중성미자가 있는지 없는지 그리고 오른손잡이 중성미자가 있다면 질량은 얼마 일까 가 최대의 관심사라고 합니다. 물리학계에서 많은 노력을 하고 있지만 오른손잡이 중성미자를 보지 못하고 있다고 합니다.

4. 남극의 2km 아래 얼음에서 발견된 중성미자

2022년 11월 4일 국제 학술지 사이언스에 남극의 중성미자 연구시설인 아이스큐브에서 지구로부터 4700만 광년 떨어진 고래자리 A은하에서 날아온 고에너지 중성미자 79개를 검출하였다고 합니다. 중성미자는 우주가 탄생한 빅뱅 직후에도 나왔고 태영의 핵융합이나 원전의 핵분열 반응에서도 나온다고 합니다. 매초 손톱만 한 면적에 1000억 개 정도의 중성미자가 지나가서 우주의 유령이라고 불린다고 합니다.

 

2018년에는 사이언스에서 아이스큐브가 포착한 중성미자는 37억 광년 떨어진 오리온자리의 블랙홀에서 나왔다고 발표하였습니다. 이번 2022년 11월에는 그보다 100배 더 가까운 곳에서 우주의 유령이 나오는 것을 확인한 것입니다. 고래자리 A 은하는 밤하늘에서 쌍안경으로도 볼 수 있습니다.

 

우주에서 격변이 일어나 고에너지 양성자가 다른 입자와 충돌하면 물질을 이루는 기본 입자들이 쏟아지게 됩니다. 이중에 일부가 나중에 에너지를 발산하고 붕괴하면서 중성미자를 방출하게 됩니다. 고래자리 A 은하는 나선은하로 중성미자를 방출하기에 완벽한 조건이라고 합니다. 왕성화 게 활동하는 은하여서 중심에 있는 초거대 블랙홀이 주변 물질을 집어삼키면서 동시에 일부를 열복사 형태로 방출하는데 이때 중성미자가 발생한다고 합니다.

 

고래자리 A 은하는 중심부가 두꺼운 가스와 먼지로 가려져서 관측이 어려웠는데 때문에 실제로 중성미자인지 잡음인지 확실치 않았다고 합니다. 중성미자 첫 관측 이래로 분석 방법이 발전하면서 중성미자를 확실히 관측할 수 있었다고 합니다.

 

남극의 아문젠-스콧 기지에 있는 아이스큐브는 현재 전 서계 58개 연구기관의 과학자 350여 명이 공동으로 연구를 하고 있습니다. 아이스큐브 과학자들은 남극 얼음 아래에서 광센서 5160개를 심고 중성미자가 드물게 물을 이루는 수소나 산소 원자핵이나 전자와 부딪히는 흔적을 차고 있습니다. 중성미자가 원자핵에 부딪히면 원형으로 빛의 충격파가 생깁니다. 이때 광센서는 이 신호를 감지합니다.

5. 중성미자와 관련된 노벨상

일본 도쿄대 가미오칸데의 중성미자 실험실 내부 출처: 도쿄대(주간조선)

중성미자가 중요한 만큼 중성미자의 발견으로 노벨상을 수상한 사람들이 많습니다. 어떠한 공적사항으로 수상을 받았는지 알아보겠습니다. 1988년에 두 번째 중성미자인 뮤온 중성미자를 발견하여 리언 레더만, 멜빈 슈바르츠, 잭 스타인버그가 수상을 하였습니다. 그리고 최초의 중성미자(전자 중성미자)를 발견한 프레더릭 라이네스는 1995년에 수상을 하였습니다. 그리고 2002년에 초신성에서 날아온 중성미자 검출로 중성미자의 천문학 시대를 열게 된 고시바 마사토시 등이 수상을 하였습니다. 2015년에는 중성미자 진동을 발견한 가지타 다카아키 등이 노벨상을 수상하였다고 합니다.

6. 중성미자는 왜 중요한가?

중성미자의 연구는 계속되어왔지만 중성미자의 질량은 아직도 모릅니다. 우주의 팽창과 물질 및 반물질의 비대칭을 설명하기 위해서는 중성미자의 질량을 반드시 알아내야 한다고 합니다. 또한 우주는 빅뱅 직후 엄청난 에너지가 발생하며 물질과 반물질을 만들었지만 현재 우주에는 물질만 남아 있습니다. 과학자들은 우주에서 빛의 입자 다음으로 가장 많은 중성미자가 이러한 비대칭을 설명할 수 있을 것이라며 우주의 비밀을 풀 수 있기에 중성미자의 연구는 필수라고 합니다.

7. 중성미자 연구실은 왜 지하에 있는가?

암흑물질과 중성미자가 내는 신호는 포착하기가 매우 힘들기 때문에 우주선(우주로부터 지구로 날아오는 방사선) 등의 배경 잡음을 최대한 줄일 수 있는 연구 환경이 필수적이라고 합니다. 잡음이 적으면 그만큼 암흑물질의 신호를 발견할 확률이 높아진다고 합니다. 따라서 중성미자를 연구하는 연구시설은 지하 깊은 곳에 있다고 합니다.

 

그래서 우리나라에서도 암흑물질과 중성미자를 연구하기 위하여 지하에 연구소를 설립하였으며 이 연구실은 강원도 정선군 예미 랩 지상 연구실에서 2022년 10월 5일에 준공식을 마쳤습니다. 예미 랩 연구소는 세계 6번째 규모의 지하실험 연구시설이라고 합니다. 이 연구시설로 인하여 많은 과학적 성과가 있었으면 합니다. 지하 연구소는 이전부터 있었지만 세계 대부분의 연구소가 면접을 넓히고 있는 상황이라고 합니다. 그만큼 중성미자의 연구가 중요함을 알려주는 지표일 듯합니다.

중성미자의 연구가 더 많이 진척되어서 오른손잡이 중성미자도 발견되고 중성미자의 질량도 발견되어서 우주의 비밀을 조금이라도 알게 되었으면 좋겠습니다.