남극의 얼음으로 읽는 중성미자와 우주의 비밀
원본 영상: 남국의 얼음 밑 3km, 보이지 않는 우주의 비밀을 해독하다! (성균관대학교 노창동 교수)
채널: 안될과학 Unrealscience
우리를 통과하지만 좀처럼 보이지 않는 입자
노창동 교수는 엄지손톱을 1초에 통과하는 중성미자가 대략 600억 개에 이른다는 설명으로 이야기를 시작한다. 중성미자는 드문 입자가 아니다. 관측하기 어려운 이유는 물질을 지나면서도 좀처럼 상호작용하지 않아 흔적을 남기지 않기 때문이다.
아이스큐브는 이 희박한 상호작용을 포착하기 위해 남극의 거대한 얼음을 활용한다. 얼음 속에서 발생한 빛을 관측하고, 그 빛을 만든 입자와 중성미자의 상호작용을 거슬러 추적하는 방식이다.
강연을 관통하는 질문은 “중성미자를 어떻게 볼 것인가”에서 한 걸음 더 나아간다. 이미 존재가 알려진 중성미자 가운데, 특히 고에너지 중성미자를 관측하면 우주에 대해 무엇을 알 수 있을까?
사라진 에너지를 설명하는 세 번째 입자
중성미자의 출발점은 베타 붕괴에서 나타난 에너지 문제였다. 강연은 중성자가 붕괴해 양성자와 전자를 만드는 상황을 설명한다. 최종 입자가 이 둘뿐이라면 보존법칙에 따라 전자의 에너지가 정해져야 하는데, 실제 측정에서는 다양한 에너지가 나타났다.
파울리는 관측되지 않은 세 번째 입자가 에너지 일부를 가져갈 가능성을 제안했다. 전자가 가져가는 몫이 달라도, 보이지 않는 입자까지 합치면 전체 에너지는 보존될 수 있다는 것이다.
이 가설은 새로운 과제를 남겼다. 에너지를 가져간 입자가 실제로 존재한다면, 물질과 거의 반응하지 않는 그 입자를 실험으로 확인해야 했다.
이동하면서 달라지는 ‘맛’
강연은 중성미자를 전자 중성미자, 뮤온 중성미자, 타우 중성미자로 구분한다. 이 종류를 ‘맛’, 또는 플레이버라고 부른다.
중성미자의 특별한 성질은 이동하면서 다른 맛으로 관측될 수 있다는 것이다. 이를 중성미자 진동이라고 한다. 만들어질 때의 종류와 검출될 때의 종류가 반드시 같지는 않다는 뜻이다.
이 성질은 태양 중성미자 관측을 이해하는 데도 중요하다. 특정 종류만 관측하는 실험에서는, 다른 종류로 바뀐 중성미자가 관측량의 부족으로 나타날 수 있기 때문이다.
존재 확인에서 천체 관측으로
강연은 중성미자 관련 실험과 노벨상 수상 역사를 따라 연구의 질문이 어떻게 넓어졌는지 설명한다.
뮤온 중성미자 실험은 1962년에 수행됐으며, 1988년 노벨상 수상으로 이어졌다고 소개한다. 중성미자를 만드는 입자의 붕괴를 이용해 빔을 만들고, 중성미자가 물질과 상호작용한 뒤 어떤 입자가 나오는지를 살펴 서로 다른 종류를 구별하는 접근이다.
시간상 더 앞선 원자로 실험은 1956년에 중성미자의 존재를 실험적으로 확인한 사례로 소개된다. 강연은 이 성과가 1995년 노벨상으로 이어졌다고 설명한다.
이후 관측 대상은 태양과 초신성으로 확장된다. 연구의 초점도 입자가 존재하는지를 확인하는 데서, 그 입자를 통해 천체에서 일어나는 현상을 알아내는 쪽으로 넓어진다. 중성미자는 연구 대상인 동시에 우주의 정보를 전달하는 수단이 된 것이다.
얼음 전체가 표적이 되는 아이스큐브
중성미자가 검출기를 지나간다고 해서 반드시 신호가 생기는 것은 아니다. 관측 기회를 늘리려면 중성미자가 상호작용할 물질이 충분히 많아야 한다.
44:02 - 아이스큐브 젠2 구상과 후속 관측 목표
노 교수는 이를 다트와 다트판에 비유한다. 맞을 확률이 극히 낮다면 표적을 크게 만드는 것이 하나의 방법이다. 아이스큐브에서는 남극의 거대한 얼음 전체가 그 표적 역할을 한다.
얼음 속에 관측 장치를 설치하려면 먼저 깊은 구멍을 뚫어야 한다. 강연은 고온·고압의 물을 이용해 얼음을 뚫고, 빛을 감지하는 광학 모듈을 줄에 매달아 내려보내는 방식을 설명한다.
여기서 얼음과 광학 모듈의 역할은 다르다. 얼음은 중성미자가 상호작용할 물질을 제공하고, 광학 모듈은 그 결과 발생한 빛을 감지한다. 거대한 자연환경을 관측 장치의 일부로 활용하는 셈이다.
직접 보는 것은 중성미자가 아니라 빛
아이스큐브의 관측에는 여러 단계가 있다. 중성미자가 얼음 속 물질과 상호작용하면 전하를 띤 입자가 만들어질 수 있고, 이 입자가 얼음 속을 이동하며 체렌코프 빛을 낸다. 광학 모듈이 감지하는 것은 이 빛이다.
관측의 흐름은 중성미자의 상호작용 → 하전 입자의 생성 → 체렌코프 빛의 검출로 이어진다. 빛의 흔적을 읽어 입자의 움직임을 추정하고, 다시 그 입자를 만든 중성미자 사건을 해석하는 것이다.
트랙, 캐스케이드, 더블 뱅
강연은 빛이 남기는 흔적을 몇 가지 형태로 나누어 설명한다.
- 트랙: 뮤온이 길게 이동하며 남기는 흔적이다. 진행 방향을 추정하는 데 유리하다.
- 캐스케이드: 여러 입자가 연쇄적으로 발생하며 남기는 흔적이다. 서로 다른 상호작용에서 비슷한 형태가 나타날 수 있어, 이것만으로 중성미자의 종류를 단정하기는 어렵다.
- 더블 뱅: 타우가 생성될 때와 이동 후 붕괴할 때 두 차례 캐스케이드가 나타나는 형태다.
흔적의 모양은 사건을 해석하는 단서지만, 모양 하나만으로 입자의 종류와 기원이 모두 결정되는 것은 아니다.
고에너지 중성미자로 우주선의 출발지를 찾는다
강연에서 말하는 우주선은 우주를 비행하는 기체가 아니라, 우주에서 날아오는 고에너지 입자다. 노 교수는 이 입자들이 어디에서, 어떤 과정으로 높은 에너지를 얻었는지를 밝히는 것이 중요한 질문이라고 설명한다.
40:24 - 버트와 어니라는 이름이 붙은 초기 고에너지 중성미자 후보 사건
문제는 전하를 띤 우주선이 자기장을 지나며 경로가 휘어진다는 점이다. 지구에 도착한 방향을 거꾸로 따라가도 원래 출발한 천체를 곧바로 찾을 수 없다.
중성미자는 전하가 없어 자기장에 의해 경로가 휘지 않는다. 따라서 도착 방향을 통해 발생 방향을 추적하는 데 유리하다.
노 교수는 고에너지 양성자의 상호작용과 뒤이은 입자 붕괴에서 중성미자가 생성되는 과정을 설명한다. 이러한 중성미자를 관측하고 출처를 찾으면, 그곳에서 일어나는 입자 가속 현상을 알아낼 단서가 된다. 아이스큐브가 찾으려는 것은 희귀한 입자 자체뿐 아니라, 그 입자를 만들어낸 우주의 물리 과정이다.
지구를 필터로 써도 남는 질문
중성미자 관측에는 배경 신호를 구별하는 문제가 따른다. 우주선이 지구 대기와 충돌하면서 만든 뮤온도 검출기에 흔적을 남길 수 있기 때문이다.
강연은 지구 자체를 필터로 활용하는 방법을 소개한다. 검출기 아래에서 올라오는 사건은 지구를 통과한 입자와 연결된다. 대기 뮤온은 지구 전체를 관통하지 못하지만, 중성미자는 지구를 지나 검출기 부근에서 상호작용할 수 있다는 설명이다.
그러나 대기에서도 중성미자가 만들어진다. 이들은 지구를 통과할 수 있으므로, 지구를 필터로 사용해도 제거되지 않는다.
따라서 중성미자를 검출하는 것과 그 중성미자가 먼 천체에서 왔음을 확인하는 것은 서로 다른 과제다. 강연은 빛의 양과 에너지 분포 등을 함께 살펴 대기에서 만들어진 사건으로 설명할 수 있는지 검토해야 한다고 설명한다. 눈에 띄는 신호 하나보다, 배경을 고려한 분석과 증거의 축적이 중요하다.
관측의 성공이 여는 다음 질문
고에너지 우주 중성미자의 관측은 우주를 연구하는 새로운 통로를 연다. 하지만 그것만으로 어떤 천체가 입자를 가속했는지까지 모두 밝혀지는 것은 아니다.
노 교수는 더 많은 관측 사건을 확보하고 정확도를 높여야 한다고 설명한다. 후속 관측의 목표는 우주에서 온 중성미자가 있다는 증거를 넘어, 그 신호를 개별 천체와 구체적인 물리 과정에 연결하는 데 있다.
강연의 흐름은 세 단계로 이어진다. 먼저 얼음 속 빛에서 중성미자의 흔적을 찾고, 그 신호가 대기 배경을 넘어서는지 확인한 다음, 발생 천체를 추적한다. 남극의 얼음은 이 드문 사건들을 모아 우주에서 입자가 어떻게 가속되는지를 묻는 관측소가 된다.
출처
안될과학 Unrealscience — 남국의 얼음 밑 3km, 보이지 않는 우주의 비밀을 해독하다! (성균관대학교 노창동 교수)