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중성미자’의 질량 발견…지하 1천m에서 밝혀진 ‘유령입자’

[국민일보 2004-10-11 17:35]

아연과 납을 생산하던 일본 기후현 카미오카광산의 지하 1000m 아래에는 이상하게 생긴 실험시설이 있다. 지름 40m,높이 42m의 원기둥형으로 파낸 암반 안에 설치된 순수한 물 5만톤을 담은 탱크가 바로 그것.

슈퍼 카미오칸데라고 불리는 그 탱크 안에는 하나에 500만원이나 하는 직경 50cm의 초고감도 빛탐지기가 1만1000여개나 빽빽하게 들어차 있다. 빛 하나 들어오지 않는 지하 세계의 커다란 물탱크 안은 마치 태초의 세상처럼 고요하다. 도대체 거기서 무슨 실험이 이루어지는 것일까?

만일 우주에도 수명이 있는지 알고 싶다면,모든 원자의 핵 속에 있는 양자가 영원하지 않고 언젠가 붕괴된다는 것을 밝혀내면 된다. 카미오카광산의 지하에 있는 슈퍼 카미오칸데는 바로 양자의 붕괴로 인해 발생되는 방사선을 검출하기 위한 장치이다. 그러나 아직 전 세계의 어느 실험진도 양자의 붕괴를 감지해내지 못했다.

그런데 이 검출장치는 의외로 흥미로운 물질을 관측하는 성과를 올렸다. 1987년,슈퍼 카미오칸데의 전신으로 만들어진 카미오칸데에서 우연히 초신성이 폭발할 때 나온 중성미자 12개를 잡아낸 것이다. 더구나 그것은 지구에서 16만 광년이나 떨어진 대마젤란성운에서 날아온 중성미자였다. 중성미자는 어떤 물질이기에 이처럼 먼 우주 공간을 날아와 지하 1000m 속의 물탱크 안에서 모습을 드러냈을까.

물질의 입자를 설명한 20세기의 가장 성공적인 이론으로 꼽히는 표준모형이론에 의하면,모든 물질은 기본입자인 ‘쿼크’와 전자 및 중성미자 등의 소립자로 이루어져 있다. 그 가운데 중성미자는 중입자인 쿼크에 비해 상대적으로 가벼운 렙톤(경입자)에 속하며,전자 중성미자,뮤온 중성미자,타우 중성미자의 세 종류가 있는 것으로 알려져 있다.

1930년 볼프강 파울리가 방사능 물질의 붕괴과정에서 에너지 보존 법칙이 깨지는 문제를 해결하기 위해 생각해 낸 작은 입자가 중성미자의 시초다. 그 뒤 1956년 코원과 라이네스에 의해 파울리가 예견했던 전자 중성미자가 발견되고,1962년에는 뮤온 중성미자도 발견되었다. 타우 중성미자는 아직 관측되지 않았지만,그 존재는 간접적으로 입증돼 있다.

초신성 폭발이나 태양의 핵융합 반응으로 발생하는 중성미자는 우주에 엄청난 양이 흩날리지만,물질과 거의 반응을 일으키지 않아 관측이 어려우므로 ‘유령 입자’라고도 불린다. 태양에서 오는 중성미자만 하더라도 지구 표면의 엄지손톱만한 넓이에 초당 수백억개가 쏟아지는데,대부분 지구를 뚫고 우주 속으로 날아가 버린다. 우리의 몸을 투과하는 중성미자도 1초에 수십조개에 달한다.

이처럼 유령 같기만 한 중성미자도 과학자들의 집념 앞에 그 모습을 드러낼 수밖에 없었다. 무엇이든 뚫고 다니는 중성미자지만,수백조개 가운데 하나쯤은 물 분자에 부딪쳐 물 원소의 핵에서 전자가 튀어나오게 한다. 이 전자는 물속에서 파란 빛을 내며 엄청난 속도로 움직인다. 너무 희미한 빛이라 눈에는 보이지 않지만,슈퍼 카미오칸데 안에 설치된 초고감도 빛탐지기로는 관측할 수 있다.

최근 수퍼 카미오칸데에서는 인류 역사상 최장거리 규모의 실험이 행해졌다. 거기에서 250km나 떨어진 쓰쿠바시의 고에너지연구소(KEK) 양성자가속기로부터 인위적인 뮤온 중성미자 빔을 만들어 슈퍼 카미오칸데로 정조준해 쏘아 보낸 것. 그 결과 중성미자에도 질량이 있다는 결정적인 증거를 포착했다.

지난 여름,실험을 주관한 한·미·일·유럽의 국제공동연구팀은 “빔이 퍼지는 정도와 충돌 확률 등을 고려할 때 151개의 중성미자가 검출될 것으로 예상했으나 실제 관측에서는 108개만 검출되었다”고 발표했다. 이는 나머지 43개의 뮤온 중성미자가 진동변환을 일으켜 아직 관측되지 않는 타우 중성미자 등의 다른 형태로 바뀐 것을 의미한다.

이 실험에 참여한 서울대 물리학과 김수봉 교수는 “입자가 다른 입자로 바뀌려면 필수적으로 질량이 있어야 하는데,이렇게 진동 변환을 일으켰다는 것은 곧 중성미자에 질량이 있다는 것을 의미한다”고 말한다. 이로써 중성미자에 질량이 없다고 가정한 표준모형이론은 수정되어야 할 상황에 처했으며,중력을 제외한 전자기력,약력,강력의 모든 힘을 통합하려는 대통일이론은 더욱 힘을 얻게 되었다. 대통일이론은 중성미자의 질량 존재를 예측하고 있기 때문이다.

한편,올해 노벨 물리학상은 소립자 쿼크들 사이에 작용하는 강력의 새로운 속성을 밝힌 과학자들에게로 돌아갔다. 물질의 기본을 이루는 소립자의 세계를 완전히 밝혀내야 우주의 역사와 미래를 설명할 수 있다. 그만큼 소립자는 중요한데,일부 과학자들은 인간이 미처 발견하지 못한 중요한 입자가 우주와 삼라만상의 비밀을 쥐고 있을 것으로 추측하기도 한다. 보이지 않는 것이 더 중요한 이치는 인간사나 우주나 마찬가지인 모양이다.

이성규(사이언스타임즈 객원 편집위원)

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