물리학상은 34년 만에 단독 수상자가 나왔어! 수상자는 우리 몸도 지구도 거뜬히 통과하는 유령 입자를 붙잡으려고 남극 얼음 속에 관측소를 지었어. 얼음으로 우주를 관측하다니! 나, 노벨도 입이 떡 벌어졌지. 어떻게 그런 생각을 했을까? 

▲IceCube/NASA

노벨 물리학상 수상자 프란시스 할전 미국 위스콘신대 매디슨캠퍼스 교수가 약 40년 전 떠올린 질문이에요. 모두가 무모하다던 궁금증이 남극 얼음 속 거대한 관측소를 거쳐 노벨상으로 이어졌어요.

중성미자는 태양이나 폭발하는 별, 블랙홀 주변 등에서 만들어지는 입자예요. 전기를 띠지 않고 다른 물질과 거의 반응하지 않아요. 우리 몸과 지구도 대부분 통과해서 ‘유령 입자’라고 불리지요.

중성미자는 아주 드물게 물질 속 원자핵과 부딪혀 전기를 띤 입자를 만들어요. 전기를 띤 입자는 물이나 얼음 속을 빠르게 지나가며 푸른빛을 내요. 과학자들은 이 푸른빛을 포착해 중성미자의 흔적을 찾지요. 반응이 워낙 드물어서 중성미자를 잡으려면 물이나 얼음이 아주 많이 필요해요.

남극 빙하 깊은 곳의 얼음은 투명해서 빛이 멀리까지 퍼지고, 바다와 달리 생물이 내는 빛도 관측을 방해하지 않아요. 할전 교수의 제안으로 2010년 남극에 ‘아이스큐브 중성미자 관측소’가 완공됐어요. 전체 부피 약 1km3 의 남극 얼음에 구멍을 뚫어 1450~2450m 깊이에 광센서 5160개를 설치했지요. 아이스큐브는 2023년 우리은하에서 날아온 고에너지 중성미자의 증거를 찾았어요.

우주에서 날아온 중성미자는 블랙홀 주변 등에서 벌어진 격렬한 현상을 밝혀 줄 단서예요. 김충선 연세대 물리학부 명예교수는 “초기 우주의 중성미자를 관측하면 빛으로 볼 수 없던 더 오래전 우주의 비밀까지도 알아낼 수 있다”고 설명했어요.

어디에 쓰일까?

IceCube/NSF/Lily Le/ Shawn Johnson/ESO/S. Brunier

 

우리은하 사진 위에 아이스큐브가 관측한 중성미자 신호를 파란색으로 표시한 그림이에요. 아이스큐브 국제 공동 연구팀은 약 10년 동안 모은 중성미자 후보 사건 약 6만 건을 분석했어요. 별과 가스가 많이 모인 은하수 방향에서 고에너지 중성미자가 날아온다는 증거를 찾았지요.

1988년 제가 박사학위를 받던 해, 교수님은 남극 얼음으로 중성미자를 관측하자는 제안을 세상에 내놓으셨어요. 사람들은 무모해 보이는 도전을 한 교수님을 ‘돈키호테’라고 부르기도 해요. 대담함과 리더십이 없었다면 세계 곳곳의 연구자가 모인 아이스큐브 연구팀을 이끌기 어려웠을 거예요.

요즘은 관측소 규모를 크게 늘린 ‘아이스큐브-젠2’를 계획하고 계세요. 아이스큐브라는 아이디어도 좋지만 많은 연구자가 중성미자의 성질을 연구하는 데 큰 도움을 주셨기 때문에 노벨상을 받으신 거라 생각해요.   

중성미자는 관측하기 어렵고 아직 모르는 것도 많기에 오히려 재미있어요. 궁금증을 하나씩 풀다 보면 시간 가는 줄 몰라요. 여러분도 남들이 좋다는 분야보다 계속하고 싶고 마음이 끌리는 분야를 찾아보세요!