남극 얼음 아래 3km에서 우주 중성미자를 잡기까지, 파울리의 편지에서 아이스큐브까지

영상은 엄지손톱을 1초 동안 통과하는 중성미자가 대략 600억 개라는 설명으로 시작한다. 진행자는 이 수치를 통해 중성미자가 우리 몸을 그대로 지나간다는 점을 보여 준다.

중성미자는 물질과 거의 상호작용하지 않아 검출이 어렵다. 이 특성 때문에 지구를 통과하는 중성미자도 관측하려면 특별한 장치가 필요하다는 점이 이후 설명의 기반이 된다.

베타붕괴에서 전자와 다른 입자 하나만 나온다면 전자의 에너지는 일정한 값으로 고정되어야 한다. 그러나 실제 측정에서는 전자 에너지가 넓은 범위에 퍼져 있었다.

이 결과 에너지 보존 법칙이 잘못된 것이 아니냐는 주장까지 나왔다. 노창동 교수는 파울리가 법칙이 틀렸다기보다 세 번째 입자가 있다면 설명이 된다고 생각했다고 설명했다.

세 번째 입자가 가져가는 에너지만큼 전자의 에너지가 줄어들 수 있다는 것이 파울리의 제안이었다. 파울리는 실험 현장에 있지 않았기 때문에 실험자들에게 확인해 보라는 내용의 편지를 보냈고, 이 편지가 중성미자 가설의 시작이 됐다.

노창동 교수는 표준모형의 17개 입자 가운데 중성미자가 세 종류를 차지한다고 설명했다. 전자, 뮤온, 타우에 대응하는 세 가지 맛의 중성미자가 있다는 것이다.

중성미자는 발견이 늦었고 잘 보이지 않는다. 또 먼 거리를 이동하는 동안 맛이 바뀔 수 있어, 연구자들은 이 점을 염두에 두고 중성미자를 연구한다.

1988년 노벨 물리학상은 레더만, 슈타인버거, 샤르댕에게 돌아갔다. 실험 자체는 1962년에 이뤄졌고, 수상까지는 26년이 걸렸다. 세 사람이 공동으로 받았으며 상금은 각자 3분의 1씩 나뉘었다.

이들이 확인하려 한 것은 뮤온 중성미자의 존재였다. 중성미자가 이미 발견된 상황에서 렙톤인 전자와 뮤온에 대응하는 중성미자가 각각 있을 수 있다는 생각이 있었지만, 이를 확인할 방법이 없었다.

연구진은 중성미자를 직접 모을 수 없으므로 파이온을 모아 뮤온으로 붕괴시키는 방식을 썼다. 이때 나머지 입자는 가림막으로 차단하고 중성미자만 남겨, 상호작용 결과 뮤온이 주로 나오는지를 확인했다. 전자가 나오지 않고 뮤온만 관측된 결과로 뮤온 중성미자의 존재가 입증됐다.

라인스와 코완이 1956년 원자로에서 나오는 중성미자를 관측한 실험은 중성미자 자체를 처음으로 실험에서 검증한 사건이었다. 노창동 교수는 이 실험이 파울리가 예측했던 중성미자가 실제로 있다는 것을 밝혀낸 것이라고 설명했다.

관측은 베타붕괴의 역과정을 이용했다. 중성미자가 물질과 반응해 양전자를 만드는 현상을 봐서, 중성미자의 존재를 간접적으로 확인했다.

실험은 코완과 라인스가 함께 수행했다. 라인스가 2995년 노벨상을 받았지만, 코완은 이미 사망해 수상하지 못했다. 노벨상 규칙상 사망한 사람에게는 수여되지 않기 때문이다. 라인스 본인도 공동 연구의 공로를 인정했다.

카미오칸데는 원래 양성자가 붕괴하는 현상을 찾으려고 일본에 지은 실험이었다. 중성미자 관측이 목적은 아니었지만, 1985년 업그레이드를 통해 중성미자도 더 민감하게 볼 수 있게 됐다.

2년 뒤인 1987년 SN1987A 초신성 폭발이 일어났고, 카미오칸데는 이 폭발에서 온 중성미자 11개를 관측했다. 이 성과로 카미오칸데 연구자가 노벨상을 받았다.

2015년 노벨상은 카미오칸데와 SNO 실험이 중성미자 진동을 실험적으로 증명한 공로로 수여됐다. 노창동 교수는 이 진동이 중성미자가 맛을 바꾸는 현상이라고 설명했다.

아이스큐브는 얼음 자체를 다트판처럼 쓰는 검출기다. 검출기 크기는 1세제곱km 규모로, 에펠탑과 비교해도 훨씬 크다. 고에너지 우주 중성미자를 보려면 이 정도의 부피가 필요했다.

인류가 이런 큰 얼음 덩어리를 만들 수 없기 때문에 자연 얼음이 있는 남극을 택했다. 얼음에 구멍을 뚫고 디지털 광학 모듈이라는 구형 센서를 포도알처럼 줄에 매달아 내렸다.

구멍은 고온의 물로 뚫었다. 중성미자와 얼음 속 원자가 부딪히면 뮤온이나 캐스케이드가 생기는데, 이 입자들이 내는 빛을 센서가 잡아 중성미자를 간접적으로 확인한다.

뮤온 중성미자가 들어오면 얼음 속 핵자와 부딪혀 뮤온이 나오고, 이 뮤온이 긴 흔적을 남긴다. 전자 중성미자는 뮤온 대신 캐스케이드, 즉 여러 입자가 쏟아지는 흔적만 만든다. 타우 중성미자는 전자 자리에 타우가 들어가는 것으로 이해하면 된다.

이 결과물들은 모두 전하를 가진 입자여서 센서로 신호를 잡을 수 있다. 노창동 교수는 이 하전 입자들이 체렌코프 효과로 파란 빛을 내며, 이 빛이 검출의 핵심이라고 설명했다.

중성미자는 상호작용 뒤 그대로 중성미자로 나오거나, 전자·뮤온·타우 중 하나로 바뀌어 나올 수 있다. 노창동 교수는 중간 매개자가 Z 보존이냐 W 보존이냐에 따라 결과가 달라진다고 설명했다.

Z 보존으로 반응하면 중성미자가 그대로 나오므로 세 종류 모두 같은 모양의 캐스케이드만 만든다. 반면 W 보존으로 반응하면 생성된 입자가 흔적을 남기므로, 이 차이를 이용해 중성미자 종류를 추정할 수 있다.

노창동 교수가 강조한 것은 하전 입자가 많이 나온다는 점이다. 이 입자들이 체렌코프 빛을 내기 때문에 검출기가 중성미자를 간접적으로 볼 수 있다.

아이스큐브의 구멍은 약 2.5km 깊이로 뚫려 있다. 검출기는 5,160개가 얼음 속 깊은 곳에 설치되어 있다. 노창동 교수는 부피를 설명할 때 1세제곱km라고 말했지만, 실제 구멍은 더 깊다.

위쪽에는 검출기를 달지 않았는데, 그 이유는 뒤에서 다시 설명한다고 예고됐다.

그래프에서 가로축은 에너지, 세로축은 시간당 입자 수다. 에너지가 높은 입자일수록 수가 줄어드는 것은 자연의 섭리에 맞는 현상이다.

그래프가 특정 지점에서 급격히 꺾이는 것을 무릎(knee)이라고 부른다. 노란 영역은 태양에서 오는 우주선, 하늘색 영역은 우리 은하에서 오는 것으로 생각되는 우주선, 가장 높은 에너지는 은하 바깥에서 오는 것으로 추정된다.

꺾이는 이유는 우주선을 만드는 천체나 물리 현상이 바뀌기 때문이라고 예측하지만, 아직 확실히 밝혀지지 않았다. 우주선은 하전 입자라 자기장에 휘어 지구에서 관측할 때 방향을 알기 어렵다.

우주선은 자기장에 휘어 발원지를 알기 어렵다. 노창동 교수는 이 문제를 해결할 수 있는 입자가 중성미자라고 설명했다.

중성미자는 전기적으로 중성이라 자기장의 영향을 받지 않는다. 또 중성미자는 양성자가 충돌하며 만들어지므로, 중성미자를 관측하면 양성자를 가속한 천체를 확실히 가리킬 수 있다.

그래서 우주에서 오는 고에너지 중성미자를 관측하는 것이 우주선의 발원지를 찾는 열쇠가 된다. 노 교수는 이 점이 연구의 결론이라고 말했다.

보존 상호작용에서는 중성미자 종류와 관계없이 캐스케이드가 하나만 만들어진다. 그래서 흔적만으로는 어떤 종류의 중성미자인지 차이를 알 수 없다.

진행자가 세 가지 그림 가운데 무엇인지 묻자, 노창동 교수는 확정할 수 없고 전자 중성미자일 확률이 높다고 답했다. 캐스케이드는 어디서 시작했는지 알기 어려워 천체물리 연구에서는 한계가 있다고 설명했다.

남반구에서는 지구가 거대한 필터 역할을 해서 뮤온 중성미자가 잘 걸러진다. 하지만 북반구에서 온 신호는 우주선 양성자가 대기에서 만든 중성미자일 수도 있어 확실하지 않다.

그래서 연구진은 에너지와 스펙트럼을 분석해 천체 기원과 대기 기원을 구분했다. 2011~2012년 관측에서는 약 600일 이상의 데이터를 모아 노이즈를 줄였고, 그 결과 신호로 볼 만한 이벤트가 나타났다. 두 이벤트는 베트랑과 연이라는 이름으로 불렸으며 각각 빛의 양으로 에너지를 추정했다.

두 이벤트만으로는 발견으로 인정되지 않았다. 노이즈 폭의 다섯 배 이상이어야 신호로 인정하는 5시그마 기준을 넘어야 했기 때문이다.

2014년에는 이벤트가 37개로 늘었고, 이때 5시그마를 넘었다. 연구진은 천체 기원의 고에너지 중성미자를 아이스큐브가 받았다는 것을 인정했다. 노 교수는 이를 매일 아침 같은 음식을 먹는다는 주장을 37일 연속 사진으로 확인하는 것에 비유했다.

노창동 교수는 아이스큐브가 끝이 아니라 시작이라고 말했다. 올해 구멍 다섯 개를 더 덮고 중심부에 검출기를 추가로 설치하는 업그레이드를 했다. 이는 더 디테일한 과학적 증거를 찾기 위한 것이다.

차세대 계획인 IceCube-Gen2는 현재보다 훨씬 넓은 면적으로 더 높은 에너지와 더 높은 정확도를 목표로 한다. 다만 연구진은 아직 통계량이 부족해 우리 은하 안의 개별 천체가 우주선을 가속하는지는 확정하지 못했다고 말했다.