윤암의 세상 살아가는 이야기

여섯 종류의 쿼크(업, 다운, 참, 스트레인지, 톱, 바텀)와 여섯 종류의 렙톤(전자, 뮤온, 타우, 전자중성미자, 뮤온중성미자, 타우중성미자)은 우주를 이루는 가장 기본적인 입자다. 이중 대부분은 성질이 충분히 밝혀졌지만, 아직까지도 비밀을 꽁꽁 숨기고 있는 입자가 있으니 바로 중성미자(뉴트리노) 삼인방이다. 우주가 탄생할 때 생긴 중성미자는 우주 어디에나 있지만 워낙 다른 물질과 반응을 하지 않아 검출하거나 물리적 성질을 연구하기 매우 힘들다.

최근 중성미자 연구가 활기를 띠고 있다. 우주에서 오는 중성미자를 관측하기 위한 거대한 망원경이 남극에 완공되는가 하면 우리나라도 최초로 검출기를 만들어 중성미자 레이스에 출사표를 던졌다. 지난 2006년부터 전남 영광원자력발전소 근처에 국내 최초의 중성미자검출기 ‘레노(RENO)’를 건설하기 시작한 것.

경쟁 상대인 프랑스의 ‘더블 슈(Double Chooz)’ 검출기와 중국의 ‘다야 베이(Daya Bay)’ 검출기보다 3~4년이나 늦은 출발이다. 한국중성미자연구센터장인 김수봉 서울대 물리천문학부 교수는 “3년 정도라면 충분히 따라잡을 수 있겠다는 생각이 들어 교육과학기술부를 설득해 연구비 116억 원을 받아 검출기를 만들기 시작했다”고 당시 상황을 회상했다.

중성미자는 검출하기가 매우 까다롭다. 다른 물질과 거의 반응하지 않기 때문이다. 1초에 수백조 개의 중성미자가 우리 몸을 통과하지만 평생 동안 한 개가 반응을 할까 말까 한다. 그래도 아주 드물게 중성미자가 물질과 충돌하기도 하는데, 중성미자 검출기는 이 반응을 이용해 중성미자의 존재를 확인한다.

최근 남극에 완공된 거대한 중성미자 망원경, 아이스큐브는 중성미자와 얼음의 상호작용을 이용하여 별에서 날아온 중성미자를 검출한다. 이러한 장치를 이용하여 감마선 폭발이나 활동성 은하핵의 고에너지 중성미자 방출여부, 암흑물질의 정체, 우주선과 고에너지 중성미자의 연관성 등을 밝히는 등 천문학과 물리학의 핵심 연구를 수행한다.

●중성미자 변환상수 누가 먼저 찾나

중성미자 검출 뿐 아니라 입자의 성질을 밝히는 연구도 활발하다. 물리학자들은 오랫동안 중성미자가 질량이 없다고 생각했다. 우주를 이루는 기본 힘 중 세 가지인 전자기력, 약한 핵력, 강한 핵력과 기본 입자의 존재와 상호작용을 설명하는 현대물리학의 표준모형은 중성미자가 질량이 없다는 전제로 만들어졌다.

그러나 1998년 과학자들은 일본의 수퍼카미오칸데 중성미자검출기를 이용해 중성미자 사이에 서로 변환이 일어난다는 사실을 발견했다. 우주선이 대기 분자와 부딪칠 때 나오는 뮤온중성미자가 타우중성미자로 바뀌는 현상을 관측한 것이다. ‘중성미자 변환’이라 부르는 이 현상은 중성미자에 질량이 있다는 증거다.

세 종류의 중성미자가 서로 바뀌는 비율을 ‘중성미자 변환상수’라고 부른다. 지금까지 뮤온중성미자와 타우중성미자 사이의 변환상수, 전자중성미자와 타우중성미자 사이의 변환상수가 발견됐다. 아직 밝혀지지 않은 전자중성미자와 뮤온중성미자 사이의 변환상수는 입자물리학계의 최대 관심사다. 프랑스의 중성미자검출기인 ‘슈(Chooz)’를 이용해 측정하려는 시도가 있었지만, 정확한 값을 찾지는 못했다.

현재 마지막 남은 변환상수를 측정하기 위한 국제 경쟁이 치열하다. 경쟁국에 비해 출발이 늦은 우리나라지만 레노를 건설하기 시작한 지 4년이 지난 지금 상황은 역전됐다. 레노는 다른 경쟁자들보다 1년 앞서서 오는 3월부터 실험을 시작할 예정이다. 김 교수는 “계획대로 진행된다면 우리나라가 최초로 마지막 변환상수를 발견할 수 있다”며 “처음에는 외국 과학자들이 의구심을 표했지만 지금은 학회에서 세 나라가 발표하면 우리나라가 가장 주목을 받는다”고 말했다.

늦게 출발해서 경쟁자를 따라잡을 수 있었던 데는 지리적인 이점도 컸다. 김성현 부산대 물리학과 교수는 “영광은 중성미자검출기를 건설하기 위한 천혜의 장소”라고 설명했다. 변환상수를 측정하기 위해 원자로에서 나오는 전자중성미자를 이용할 수 있기 때문이다.

영광원자력발전소는 용량이 세계에서 두 번째로 커 원자로 하나에서 나오는 중성미자의 수가 많다. 원자로 여섯 개도 일정한 간격으로 나란히 배열돼있다. 하늘에서 보면 두 검출기를 잇는 선이 여섯 개의 원자로 한가운데 부근을 지나고 있어 각 원자로에서 나오는 중성미자를 균일하게 관측할 수 있다. 주위가 산으로 둘러싸여 있어 터널만 뚫으면 쉽게 지하로 들어갈 수 있다는 것도 장점이다. 검출기를 지하에 설치해야 실험을 방해하는 우주선을 막을 수 있기 때문이다.

●운명을 가를 2%

레노는 원자로에서 각각 290m, 1.4km 떨어진 곳에 있는 똑같은 검출기 두 대로 이뤄져 있다. 영광원전의 원자로 하나에서는 1초에 1000경개의 전자중성미자가 나온다. 이 중 검출기에 잡히는 수는 근거리의 경우 하루에 1000개, 원거리는 하루에 50개 정도에 불과하다.

원자로에서 나온 전자중성미자는 사방으로 퍼지기 때문에 검출기에 잡히는 수는 거리의 제곱에 비례해 줄어든다. 거리의 차이를 감안해 각 검출기에 잡히는 전자중성미자의 수를 계산하면 근거리 검출기에서 원거리 검출기 사이의 거리를 움직이는 동안 얼마나 많은 전자중성미자가 뮤온중성미자로 변했는지를 알 수 있다. 김 교수는 “전자중성미자가 타우중성미자로 바뀌려면 100km 정도를 움직여야 하기 때문에 이보다 휠씬 짧은 거리에서 사라진 전자중성미자는 뮤온중성미자로 바뀌었다고 볼 수 있다”고 말했다.

레노는 중성미자를 검출하기 위한 매개물질로 벤젠 계통의 투명한 유기용액을 이용한다. 이 용액을 ‘섬광액체’라고 부른다. 중성미자가 섬광액체 속을 통과하다가 양성자와 충돌하면 양전자와 중성자가 나온다. 전자의 반물질인 양전자는 곧바로 전자와 쌍소멸해 빛을 발한다. 중성자는 약 200μs(마이크로초, 100만 분의 1초) 뒤 수소 원자에 잡혀 빛을 낸다. 이 빛을 광센서로 관측해 중성미자를 검출한다.

김수봉 교수는 “원리는 50년 전과 비슷하지만 섬광액체가 예전보다 화학적 특성이 좋아졌으며 개선된 광센서를 이용해 기존의 검출기보다 감도가 좋다”고 레노의 차이점을 설명했다. 광센서를 제외한 나머지 부품은 순수 국내 기술로 개발했다는 점도 특징이다.

레노가 변환상수를 측정하지 못할 가능성도 있다. 레노의 감도로는 변환상수가 2% 이상일 때만 측정할 수 있기 때문이다. 이재승 서울대 물리천문학부 교수는 “이론적으로 예측한 결과에 따르면 우리 검출기로 3년 정도 자료를 쌓으면 측정할 수 있을 것”이라며 “하지만 변환상수가 2% 보다 작을 가능성도 있는 게 사실”이라고 밝혔다.

당장 앞서 가고 있다고 해서 안심할 상황은 아니다. 과연 우리나라 최초의 중성미자검출기가 세계 최초로 중성미자의 비밀을 밝히는 영광을 차지할 수 있을까. 3년 뒤 좋은 소식이 들려오기를 기대해 본다.

글=고호관(동아사이언스 기자)
사진=과학동아