일본산업뉴스요약

뉴트리노가 펼치는 과학 (상)
우주 해명을 위해 소립자를 탐색한다
일본과 미국, 관측 경쟁으로 새로운 실험에 도전

우주탄생의 구조 및 물질로 만들어진 현재 세계의 성립 과정을 해명하기 위해 우주를 채우고 있는 소립자 ’뉴트리노(중성미자)’의 연구가 세계에서 활발하게 이뤄지고 있다. 우주 탄생 직후에 무엇이 일어났으며 왜 행성이나 생명이 현재에 존재하는 것인가, 앞으로 우주는 어떻게 될 것 인가 등, 근본적인 의문에 답하기 위한 실마리를 찾는다. 이 분야에서는 일본의 고시바(小柴) 씨와 가지타(梶田)씨 두 사람이 노벨 물리학상을 수상하고 있다. 또한 새로운 연구에서도 노벨상 급의 성과가 기대되고 있다.

일본과 미국은 각자 대규모의 국제 공동실험을 시작한다. 그 어떤 것도 통과해 버리는 소립자 ’뉴트리노’를 지하의 거대 시설에서 관측한다. 뉴트리노의 정체에 다가갈수록 소립자 물리학의 대발견으로 이어질 전망이다.

-- 물질로 가득한 우주의 비밀 --
우주탄생에서 가장 큰 수수께끼 중 하나는 “현재의 우주에는 왜 물질이 많은 것일까?”라는 질문이다. 현재 우주에는 행성이나 생명 등 모든 것이 물질로 이뤄져 있다. 우주가 탄생한 약 138억년 전에는 물질이라고 하는 것이, 전기적(電氣的) 성질이 반대인 ‘반(反)물질’과 물질이 함께 존재했을 것으로 추정된다. 반물질과 물질을 각각의 형태로 만드는 것은 입자와 반입자. 원래는 같은 수만큼 생성되지만 서로 부딪히게 되면 양쪽 모두 사라지게 된다는 것이다.

물질만 남고 반물질이 없어지게 된 것은 뉴트리노가 입자의 생존률을 상대적으로 높였기 때문으로 보고 있다. 이는 뉴트리노와 그 반 입자(반 뉴트리노)의 성질의 차이가 영향을 끼쳤을 가능성이 있다.

일본과 미국의 계획은 양쪽 모두 가속기라는 장치로 뉴트리노와 반 뉴트리노의 빔을 만들어 원방에 설치한 관측시설을 향해 땅속으로 방출한다. 미국 페르미(Fermi) 국립가속기연구소가 이끄는 ‘DUNE’ 계획에서는 2026년경의 개시를 목표로 하고 있으며 이미 관측용 지하시설의 건설이 미국 사우스다코타 주(州)에서 7월부터 시작되었다. 약 1,300km 떨어진 시카고 근교의 패르미 연구소로부터 빔을 날리면, 땅 속을 통과한 빔을 돔 형태의 수조에 채워진 액체로 받아내어 미세한 반응을 찾아 낸다는 방식이다.

일본의 도쿄대 등이 주도하는 ‘하이퍼 가미오칸데(하이퍼-K)’ 계획은 8월에 문부과학성의 작업부회가 학술연구의 차기 대형 프로젝트 중 가장 유력한 후보의 하나로 선택했다. 도쿄대학 우주선연구소의 시오자와(塩沢) 교수는 “기술적으로 볼 때 내년 봄에는 가미오카(神岡) 광산(기후 현)의 지하에 건설을 시작하게 될 것이다”라고 말한다. 미국과 같은 시기에 개시하는 것을 목표로 삼고 있다.

-- 규모 5배의 시설 --
가미오카 광산의 지하에는 노벨 물리학상을 잇는 선대의 관측시설이 있다. 하이퍼-K의 규모는 현재 가동중인 슈퍼 가미오칸데의 약 5배이다. 약 300km 떨어진 이바라기(茨城) 현에 있는 대강도 양자가속기 시설인 ‘J-PARC’로부터 방출된 빔을 받아낸다. 15개국의 약 300명이 참여할 예정으로 건설비의 총액은 약 700억엔을 예상하고 있다.

뉴트리노과 반(反)뉴트리노는 모두 3개의 타입이 있다. 먼 거리를 날아가는 사이에 타입이 변하는데 이를 ‘뉴트리노 진동’이라고 한다. 관측시설의 검출 결과에 차이가 있다면 뉴트리노와 반 뉴트리노 간에 발견에 따른 차이가 존재한다는 증거가 된다.

일본과 미국은 전 단계인 실험에서 이미 격렬한 경쟁을 전개해 나가고 있다. 한 발 앞서가는 일본은 J-PARC에서 슈퍼 가미오칸데로 빔을 발사. 8월에 발표한 최신 결과에서는 뉴트리노와 반 뉴트리노 간에 차이가 있음을 시사하고 있다. 하이퍼-K가 완성된다면 보다 확실한 증거를 얻을 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

소립자, 지구도 통과한다
일본에서 연구를 리드

물질을 세분해 가면 더 이상 나눌 수 없는 가장 작은 알갱이에 이르게 되는데 이를 소립자라고 한다. 그 중 하나가 ‘뉴트리노’이다. 전자 및 양자 등과는 달리 전기를 띄고 있지 않으며 다른 입자와도 거의 반응하지 않고 건물이나 암석, 지구까지도 통과해버린다. 따라서 검출이 상당히 어려워 1930년대에 이론적으로는 예언되었음에도 불구하고 원자로를 사용한 실험에서 미국에 의해 그 존재가 확인된 것은 1950년대였다.

1987년, 당시 도쿄대학 교수였던 고시바 씨 팀은 가미오카 광산 지하에 건설한 가미오칸데라는 장치로 초신성으로부터 날아 온 뉴트리노를 세계 최초로 관측. 뉴트리노로 우주를 탐구하는 ‘뉴트리노 천문학’의 길을 새롭게 열었다.

1998년에는 당시 도쿄대학 조교수였던 가지타 씨 연구팀이 가미오칸데 후속인 슈퍼 가미오칸데로 뉴트리노가 비행 중에 타입을 바꾸는 ‘뉴트리노 진동’ 현상을 발견. 질량이 제로로 인식되었던 뉴트리노가 질량을 가지고 있음을 밝혀 내었다.

현재의 세계가 물질로만 이뤄져 있는 구조를 해명하기 위한 관심이 한층 더 높아진 가운데, 월등하게 작은 질량에 대한 수수께끼가 더욱 미궁 속으로 빠졌다. 질량의 정확한 수치도 구할 수 없는 등 해명이 되지 않은 부분이 아직도 많다. 따라서 이런 문제의 연구가 소립자 물리학에 새로운 전개를 가져올 것으로 기대를 모으고 있다.

가지타 씨는 “일본은 뉴트리노 연구를 리드해 오고 있다. 그러나 미국과 유럽도 착실히 실험을 추진하고 있으며 중국과 한국도 급속도로 그 존재감을 높이고 있다. 지금까지 축적된 것들을 활용하여 앞으로도 세계에 공헌해 나가고 싶다”라고 말한다.

 -- 끝 --