중성미자 질량 유무 논란에 종지부..진동현상으로 존재 입증

노벨물리학상 단골 소재..네번째 수상자 배출 한국과학자 연구도 성과..노벨상 가능성 기대

노벨물리학상 단골 소재…네번째 수상자 배출

한국과학자 연구도 성과…노벨상 가능성 기대

(서울=연합뉴스) 정성호 기자 = 올해 노벨물리학상은 실험을 통해 중성미자(neutrino)의 진동 현상을 발견해 이 입자에 질량이 있다는 유력한 간접증거를 제시한 과학자들에게 돌아갔다.

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 "'뉴트리노'라는 퍼즐을 풀고 입자물리학에서 새로운 영역을 열어젖혔다"고 평가했다.

중성미자는 원자핵 속에 있는 아주 작은 입자다. 지금까지 밝혀진 바로 중성미자의 질량은 전자의 100만분의 1수준이다.

중성미자는 빛에 가까운 속도로 운동하지만 전기적 성질이 없어 물질과 상호작용을 거의 일으키지 않는다. 심지어 지구도 그냥 관통할 정도다. 그러다 보니 관찰이나 검출도 어려웠고 그 정체도 잘 알려지지 않았다.

태양에서도 핵반응과 함께 무수히 많은 양의 전자 중성미자가 생성돼 지구까지 날아온다.

이때 날아오는 중성미자의 양은 태양의 질량을 토대로 수학적으로 계산할 수 있는데 문제는 이렇게 산출한 중성미자의 양과 실제 지구에서 관측되는 중성미자의 양이 다르다는 것이었다.

수학적으로는 7.3SNU(표준태양단위)의 중성미자가 있어야 하는데 지구에 도달하는 것은 2.55SNU에 불과했다. 나머지는 태양에서 지구까지 오는 도중에 사라졌다는 얘기인데 그것이 미스터리였다.

질량이 없다면 사라질 수도 없기 때문이다. 이 때문에 중성미자가 질량이 있느냐, 없느냐를 두고 논쟁이 생겼다.

이번 수상자들은 바로 이 미스터리를 풀었다. 바로 중성미자 진동이라는 현상으로 인해 태양에서 방출된 전자 중성미자의 일부가 지구로 오는 도중 뮤온 중성미자로 바뀌면서 지구에서 검출된 전자 중성미자의 양이 줄었다는 것을 사실을 아서 맥도널드 교수가 밝혀낸 것이다.

또 가지타 다카아키 교수는 1998년 대기의 중성미자가 일본의 슈퍼 카미온칸데 검출기에 도달하기 전 진동을 일으켜 또 다른 중성미자로 변환되는 과정을 확인했다.

카미오칸데는 원래 폐광산이던 곳에 커다란 규모의 물 탱크를 만들어 과학실험에 사용하는 곳이다.

박인규 서울시립대 물리학과 교수는 "진동이 있다는 것은 질량이 있다는 뜻이고, 그 반대도 마찬가지"라며 "진동과 질량은 서로 필요충분 조건"이라고 설명했다.

사실 중성미자의 존재는 일반인의 피부에 와닿지 않는 얘기이지만 과학 분야에서는 이미 기여하고 있다.

앞서 2002년 똑같이 중성미자에 대한 연구로 노벨물리학상을 수상한 미국의 레이먼드 데이비스 2세는 중성미자 관측을 통해 초신성 폭발을 미리 관측하기도 했다.

초신성 폭발 때 발생한 빛과 중성미자 가운데 중성미자가 지구에 먼저 도착했고 이를 관측해 천체 망원경으로 초신성 현상을 발견하기도 전에 이를 미리 예측할 수 있었던 것이다.

당시 이로 인해 빛보다 빠른 물질은 없다는 아인슈타인의 상대성이론이 붕괴된 것 아니냐는 논쟁이 일기도 했다.

그러나 빛의 경우 우주를 건너오면서 굴절 등을 일으키는 데 반해 중성미자는 물질과 상호작용을 일으키지 않다 보니 곧장 지구로 날아오면서 빛보다 더 빨리 도착했던 것이다.

또 1950년대 중성미자를 처음 검출했을 당시 미국 국방부는 중성미자를 이용한 잠수함 통신 기술 개발에 착수하기도 했다. 물속에서는 통신이 불가능하기 때문에 잠수함이 수면 근처로 올라와야 하는데 물질과 반응하지 않는 중성미자를 잠수함과의 교신에 이용하는 방법을 찾았던 것이다.

이번 수상으로 중성미자는 노벨물리학상의 단골 주인공이 됐다. 중성미자에 대한 연구 성과로 수상한 사례가 4번으로 늘었기 때문이다.

이런 맥락에서 한국의 노벨물리학상 수상에도 청신호가 켜진 것 아니냐는 기대 섞인 관측도 과학계 일각에서는 나온다.

김수봉 서울대 교수와 김재률 전남대 교수도 중성미자의 진동 변환을 입증하는 등 이 분야 연구에서 성과를 내고 있기 때문이다.

특히 김수봉 교수는 2002년도 노벨물리학상 수상 연구인 슈퍼 카미오칸데 탐지기 실험에 참여하기도 했고 현재도 중성미자의 종류가 변화하는 양을 측정하는 연구를 수행하고 있다.

정현식 서강대 물리학과 교수는 "이번 수상은 이견이 있을 수 없는, 언젠가는 받지 않을까 했던 과학적 성과"라고 말했다.

sisyphe@yna.co.kr

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