우주탄생 베일 벗길 ‘유령입자’ 찾아라

서울대 김수봉 교수팀
<유령입자=우주구성 기본입자중 하나>

작년에 ‘그래핀’이 놓친 노벨 물리학상의 아쉬움을 중성미자가 달래줄 수 있을까. 전남 영광 원자력발전소 인근에 국내에서 처음으로 중성미자 검출기 ‘리노(RENO)’가 설치됐다. 리노로 중성미자를 검출해 중성미자의 비밀을 알아내면 한국인 최초 노벨 물리학상을 기대해볼 만하다.

중성미자는 태양 중심부에서 핵융합 반응이 일어날 때 어마어마한 양이 생성된다. 우주에서 광자(빛의 입자) 다음으로 수가 많다. 중성미자는 다른 입자와 상호작용을 거의 하지 않는다. 수백억 km 깊이의 물 속도 그대로 통과한다. 그 때문에 우주에서 초당 1cm² 면적에 쏟아지는 중성미자가 약 1011개나 되지만 이 중 검출되는 중성미자는 하루 몇 개뿐이다.

그래서 과학자들은 원자력발전소에 눈을 돌렸다. 원자로는 우라늄이 핵분열하면서 중성미자를 방출한다. 태양에서 오는 중성미자보다 1000억 배 정도 양도 많다. 원전 1기당 1초에 약 1017개가 생성된다. 영광 원자력발전소에는 원전 6기가 모여 있어 국내에서 중성미자를 가장 많이 얻을 수 있다.

서울대 물리학과 김수봉 교수팀은 9m 높이에 450t 규모의 원통형 검출기 2대를 제작했다. 그리고 원전을 가운데 두고 지하에 터널을 뚫어 가까운 곳(노심에서 290m 떨어진 지점)과 먼 곳(1380m)에 각각 검출기를 묻었다. 검출기를 땅에 파묻은 이유는 지하 암반이 일종의 필터 역할을 하면서 우주에서 날아오는 불필요한 입자를 걸러주기 때문이다.

김 교수팀이 검출기를 통해 알아내려는 것은 ‘중성미자 변환상수’로 불리는 숫자다. 중성미자는 세 종류(전자, 뮤온, 타우)가 있는데 이들은 서로 자유롭게 형태를 바꾼다. 한 중성미자가 또 다른 중성미자로 바뀌는 비율을 변환상수라고 한다. 변환상수 3개 가운데 2개는 1998년과 2002년 각각 밝혀졌다. 하지만 나머지 하나(전자-뮤온)는 세계 어느 연구진도 아직 알아내지 못했다. 김 교수는 “두 검출기에서 중성미자를 각각 측정해 처음 생성된 중성미자가 거리에 따라 얼마만큼 다른 종류로 바뀌었는지 분석한 뒤 이를 토대로 변환상수를 계산할 계획”이라고 말했다. 실험은 7월 시작되며 앞으로 3년간 데이터를 수집해 분석한다.

이현경 동아사이언스 기자 uneasy75@donga.com　
::중성미자 (neutrino·유령입자)::
우주를 이루는 기본입자 12개 중 하나다. 질량을 가진 입자 중 가장 가볍다. 우주를 가득 채우고 있지만 눈에는 보이지 않으며 물질과 반응하지도 않는다.