2026년 노벨 물리학상은 ‘중성미자’를 붙잡기 위해 남극 얼음 속에 거대한 관측소를 세운 프란시스 할전 미국 위스콘신 매디슨대 물리학과 교수에게 돌아갔습니다. 물리학상 단독 수상은 1992년 이후 34년 만입니다. 상금 1200만 스웨덴 크로나(약 16억 원)도 모두 할전 교수의 몫인 셈이죠. 할전 교수가 단독 수상을 한 이유는 무엇일까요?

 

중성미자는 전기를 띠지 않고 질량도 거의 없어 지구도, 우리 몸도 그냥 통과해 버립니다. 그래서 ‘유령 입자’라는 별명을 갖고 있죠. 할전 교수는 이 유령 같은 성질이 우주를 관측하는 데 도움이 된다고 생각했습니다. 우주에서는 ‘우주선(cosmic ray)’ 입자가 쉴 새 없이 지구로 쏟아집니다. 대부분 양성자인데, 그중 일부는 지구의 입자가속기로 만든 입자보다 100만 배 높은 에너지를 지닙니다. 우주 어딘가에 인류가 만든 어떤 장치보다 강력한 ‘천연 입자가속기’가 있다는 뜻이죠. 그곳을 찾으면 블랙홀 주변이나 별의 폭발처럼 우주에서 가장 격렬한 천체 사건을 들여다볼 수 있습니다.

 

문제는 양성자 같은 입자는 전하를 띠고 있어 우주에 펼쳐진 자기장을 지나면 경로가 휘어 버린다는 점입니다. 지구에 도착한 방향만으로는 고향을 알 수 없죠. 추적의 실마리는 중성미자입니다. 가속된 양성자가 주변의 가스나 빛과 부딪히면 고에너지 중성미자도 함께 만들어지는데 중성미자는 자기장에 휘지 않고 먼지에 막히지도 않습니다. 날아온 방향을 거꾸로 따라가면 출발한 천체를 찾을 수 있죠. 그래서 노벨위원회는 할전 교수의 업적으로 “아이스큐브 중성미자 관측소에 결정적으로 기여하고, 천체물리학적 기원을 가진 고에너지 중성미자를 발견했다”고 밝혔습니다.

연구자들은 중성미자가 남긴 흔적인 빛을 봅니다. 중성미자가 아주 드물게 원자핵과 부딪히면 전기를 띤 입자가 나옵니다. 이 입자가 빛보다 빠르게 달리면 진행 방향을 따라 원뿔 모양으로 푸른빛을 내뿜습니다. 물결보다 빠른 배의 뱃머리에 V자 물결이 생기는 것과 비슷하죠. 이 빛을 ‘체렌코프 빛’이라고 합니다. 체렌코프 빛이 언제 어느 센서에 도착했는지로는 중성미자가 날아온 방향을, 센서에 감지된 빛의 양으로는 에너지를 알아낼 수 있습니다.

 

 

빛보다 빠른 입자가 존재할 수 있냐고요? 물이나 얼음 속에서는 빛이 느려지기 때문에 가능합니다. 물속에서 빛은 진공의 약 75% 속도로 나아갑니다. 그러니 빛이 느려지는 매질을 사용하면 중성미자를 관측할 수 있죠.

 

문제는 고에너지 중성미자가 드물다는 점입니다. 충분한 수의 충돌을 관측하려면 1km³에 이르는 거대한 투명 매질이 필요합니다. 1980년대에는 심해 고에너지 중성미자를 찾기 위해 하와이 앞바다 수심 4800m에 검출기를 내리는 ‘듀먼드(DUMAND)’ 프로젝트가 진행 중이었습니다.

 

할전 교수는 1987년 가을, 소련이 남극 얼음에서 중성미자의 전파 신호를 잡으려 한다는 소식을 들었습니다. 전파 방식으로는 어렵다고 판단한 할전 교수는 얼음 자체를 체렌코프 빛의 매질로 쓰자고 생각했고, 듀먼드의 대변인이던 존 러니드 미국 하와이대 교수와 함께 1988년 6월 이 구상을 처음 보고했습니다.

 

듀먼드는 바닷속 잡음과 기술적 문제를 넘지 못하고 1995년 취소됐습니다. 반면 남극 얼음은 깊은 곳이 늘 캄캄하고, 빛을 내는 생물이나 잡음을 만드는 방사성 물질이 적은 중성미자의 흔적을 잡기에 제격처럼 보였습니다.

1993년 크리스마스이브, 할전 교수는 저녁 식탁에 앉아 아이스큐브의 전신인 ‘아만다(AMANDA)’의 첫 센서 케이블이 무사히 설치됐다는 소식을 기다렸습니다. 그러나 도착한 결과는 실망스러웠습니다. 800~1000m 깊이의 얼음 속 공기 방울이 빛을 흩뜨려, 빛이 50cm도 못 가 방향이 꺾였죠. 이래서는 중성미자가 온 방향을 알 수 없습니다.

 

연구팀은 그래서 센서를 공기 방울이 압력에 짓눌려 사라진 1400m 아래로 더 깊이 내렸습니다. 그러자 빛은 약 300m를 직진했습니다. 가능성을 확인한 연구팀은 고압 온수로 얼음을 녹여 2.5km 깊이의 구멍 86개를 뚫고, 구멍마다 광센서 60개를 단 케이블을 내렸습니다. 이 센서는 중성미자가 만든 빛을 받은 시각과 양을 기록합니다. 훗날 할전 교수는 이때의 경험에 관해 “자연 얼음의 광학적 성질에 대해 완전히 무지하지 않았다면 나도 다른 사람들처럼 포기했을 것”이라고 회고했습니다.

 

가장 큰 난관은 뮤온 잡음이었습니다. 우주선이 대기와 부딪혀 만든 ‘뮤온’이라는 입자도 얼음 속에서 빛을 만드는데, 이 뮤온이 하루 1억 개 넘게 잡힙니다. 반면 우주에서 온 고에너지 중성미자는 1년에 100개 정도뿐이죠.

 

연구팀은 지구를 차단막으로 썼습니다. 대기에서 생긴 뮤온은 위에서 내려오지만, 지구를 관통해 온 중성미자가 검출기 아래에서 원자핵과 부딪혀 만든 뮤온은 아래에서 위로 올라옵니다. 대기 뮤온은 지구 전체를 관통하지 못하니, 아래쪽 센서부터 켜진 신호만 골라내면 중성미자가 만든 신호만 남습니다. 하지만 여기에는 지구 반대편 대기에서 생긴 중성미자도 섞여 있습니다. 이 둘은 하나하나 구별할 수 없지만, 에너지 분포가 다릅니다. 대기 중성미자는 에너지가 높을수록 수가 훨씬 빠르게 줄기 때문에, 수십 TeV(테라전자볼트·1조 eV)를 넘으면 우주 중성미자가 더 많아집니다. 연구팀은 이 차이를 통계적으로 분석합니다.

 

2011년, 센서 5160개가 박힌 1km³ 부피의 아이스큐브가 완성됐습니다. 첫 성과는 2013년 뜻밖에 찾아왔습니다. 다른 신호를 찾던 연구팀이 1PeV(페타전자볼트·1000TeV)가 넘는 중성미자 2개를 발견한 겁니다. 데이터를 다시 뒤진 연구팀은 그해 국제학술지 ‘사이언스’에 태양계 밖에서 온 고에너지 중성미자 28개를 보고했고, 이듬해 발견을 확정했습니다. doi: 10.1126/science.1242856

남은 질문은 ‘어디서 왔느냐’입니다. 2017년 9월 22일, 아이스큐브에 약 290TeV의 중성미자 하나가 걸렸습니다. 그곳에는 매우 활동적인 천체인 블레이자 ‘TXS 0506+056’이 있었죠. 중성미자의 출발지 후보를 지목한 첫 순간이었습니다. doi: 10.1126/science.aat1378

 

2022년에는 4600만 광년 떨어진 은하 ‘NGC 1068’ 방향에서 중성미자 79개를 확인했습니다. 이 은하의 중심 블랙홀은 두꺼운 가스와 먼지에 덮여 감마선조차 거의 빠져나오지 못하지만, 중성미자는 이 장막을 그대로 통과합니다. 다만 노벨위원회는 아직 NGC 1068을 출발지로 확정하기엔 증거가 부족하다고 봤습니다. 올해는 12년 치 데이터로 우리은하에서 나온 고에너지 중성미자도 ‘발견’ 수준의 확신으로 관측했습니다.

 

아이스큐브는 빛 대신 중성미자로 우주를 보는 ‘중성미자 천문학’의 문을 열었습니다. 중성미자를 다른 관측과 함께 분석하면 우주선의 고향을 찾고, 빛으로는 보지 못했던 새로운 천체 현상까지 발견할 수 있을 것으로 기대됩니다. 노벨위원회 물리학위원장 마크 피어스는 “할전 교수의 끈기와 과학적 비전이 새로운 천문학의 길을 열었다”고 평가했습니다.

 

아직 우주 중성미자 대부분의 고향은 수수께끼로 남아있습니다. 고향을 찾으려면 더 많은 중성미자 관측 자료를 모아야 합니다. 남극에서는 아이스큐브의 8배 규모(8km³)인 ‘아이스큐브-2세대’가 계획 중이고, 지중해와 시베리아 바이칼호, 남중국해에서도 차세대 중성미자 망원경이 준비 중입니다. 할전 교수가 미국 천문잡지 ‘스카이 앤드 텔레스코프’와의 인터뷰에서 “진짜 과학, 그러니까 천문학은 이제부터”라고 말한 이유입니다.