우주생성 비밀, 국내 기술로 밝혀질까

중성미자 검출설비 전남 영광에 구축

중성미자는 원자의 핵붕괴나 핵융합 과정에서 방출되는 전기전하가 없는 기본입자를 뜻한다. 이는 질량이 워낙 작아 빛의 속도로 움직이며 물질과 상호작용이 없어 ‘유령입자’ 혹은 ‘겨우 존재하는 입자’로 알려져 있다. 예를 들어 매초마다 수백조개의 중성미자가 인간의 몸을 통과하면서도 아무런 상호작용을 하지 않는다.

하지만 이렇게 ‘존재감 없는’ 중성미자가 과학자들에게는 엄청난 존재감을 지닌다. 우주공간을 구성하는 물질로 알려진 이 존재가 우주생성의 비밀을 밝혀낼 단서이기 때문이다.

1998년 일본 수퍼카미오칸데 실험에서 세 종류의 중성미자(뮤온중성미자, 타우중성미자, 정자중성미자)들 사이에 서로 변환이 일어남을 발견해 물리학계에 엄청난 파장을 일으켰다. 중성미자의 변환은 질량의 존재를 의미한다.

이로써 물리학자들은 우주의 질량에 대한 궁금증을 풀 수 있는 기회를 얻었다. 이는 중성미자가 우주 질량가치 총량의 대부분을 차지하고 있다는 가설에 따른 것이다.

중성미자 검출설비, 순수 국내 기술로 완공

그런데 최근 이 중성미자를 검출하는 설비가 순수 국내 기술로 완공돼 화제를 모으고 있다. 교육과학기술부(장관 이주호)는 중성미자 검출설비를 순수 국내 기술로 전남 영광 원자력발전소 인근에 완공했다고 3일 밝혔다.


한 종류의 중성미자가 다른 종류의 중성미자로 얼마나 많이 변했는지를 나타내는 세기를 ‘변환상수’라고 한다. 중성미자의 종류는 뮤온중성미자, 타우중성미자, 정자중성미자의 셋으로, 이중 두 변환상수(뮤온중성미자와 타우중성미자 사이의 변환상수, 전자중성미자와 타우중성미자 사이의 변환상수)는 측정이 됐으나 나머지 하나(전자중성미자와 뮤온중성미자 사이의 변환)는 아직도 측정되지 않은 상태다. 이는 입자물리학계의 최대 관심사 중 하나이다.

이 마지막 변환상수를 측정하고자 원자로 부근에서 여러 실험들이 시도됐지만 크기가 워낙 작아 모두 측정에 실패하였다. 이 변환상수의 측정을 위해 일본은 2조원을 들여 2000년 초부터 가속기를 지어 작년부터 실험을 시작했다. 이 무렵 여러 중성미자 학자들이 이 변환상수 측정을 위한 또 다른 묘안을 짜내고 있었다. 실험의 오차를 줄이기 위해 원자로 가까운 곳에 근거리검출기를 하나 더 설치하면 가속기를 사용한 측정 효율만큼 된다는 가설이었다.

우리나라에서 완공된 중성미자 검출설비도 이 가설을 따른 것이다. 서울대학교 김수봉 교수 연구진을 비롯한 국내 10여개 대학 연구진은 교과부로부터 116억원의 연구비를 지원받아 2006년 3월 중성미자 검출설비 건설을 착수했다. 연구진은 원자로에 가까운 위치(290m)와 먼 위치(1.4km)에 유기섬광액체 100톤과 정수된 물 350톤을 채운 두 대의 검출기를 지하 100m와 300m의 터널 속에 설치했다.

마지막 변환상수 알아낼 수 있을까

이 설비는 동일한 두 대의 검출기를 사용해 원자로에서 방출된 중성미자를 측정한다. 원자로로부터 방출된 중성미자는 약 1km의 거리를 날아가면서 다른 종류의 중성미자로 바뀌는데, 검출기가 줄어든 원래의 중성미자 양을 측정하는 것이다. 연구진에 따르면 중성미자가 줄어든 양을 약 2%까지 측정할 수 있다고 한다. 이는 약 20%까지 중성미자가 줄어든 양을 측정한 기존 실험에 비해 10배 정도 측정 효율을 향상시킨 것이다.


본격적인 실험은 현재 제조 중인 약 200톤의 유기섬광액체가 두 검출기에 채워지는 7월부터 시작될 예정이다. 이후 약 3년간의 데이터가 모아지면 미 측정된 마지막 중성미자 변환상수에 대한 결과가 얻어지게 되는 것이다. 미 측정된 변환상수를 알아내면 중성미자의 성질과 기본입자의 원리를 규명할 수 있어 세계 물리학계에서 큰 의미를 갖는다.

교과부 관계자는 “순수 국내 기술로 거대과학 장치를 설계에서부터 제작, 설치, 운영하는 것에서 큰 의의를 찾을 수 있다” 며 “국내 연구진이 기초과학 분야의 세계적 경쟁 속에서 연구결과를 선점할 수 있는 계기를 마련하게 됐다”고 밝혔다. 이번에 완공된 검출설비가 3년간의 실험을 무사히 마치고, 우주의 신비를 푸는데 한 발짝 내딛을 수 있을이지 그 귀추가 주목된다.

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