가장 작은 기본입자 뉴트리노(중성미자) 이야기

뉴트리노(nutrino 중성미자中性微子)는 전하가 없고, 질량이 거의 없으며, 우주에 가장 풍부한, 어디에나 있는, 물질과 반응하지 않는, 원자 내의 약력에 작용하는, 모든 물질을 투과하는, 태양의 중심부에서 바깥으로 나올 수 있는 우주의 가장 작은 기본입자이다.​

2022년 9월 29일 우리나라 언론매체들은 강원도 정선군의 예미산 지하 1,000m 깊이에 거대한 규모의 지하실험실(예미랩)이 준공된 것을 소개했다. 뉴트리노와 암흑물질을 탐색할 목적으로 세워지는 이 예미랩은 우리나라 기초과학연구원(IBS) 소속의 연구기관의 하나이다. 뉴트리노 탐색 연구소 연구원은 언론과의 인터뷰에서 “실험실을 깊은 지하에 준비하는 이유는 찾고자 하는 입자를 검출하는 데 방해되는 우주선(宇宙線)을 차단하기 위해서이며, 뉴트리노를 관측함으로써 아직 밝혀지지 않은 우주의 기원에 대한 비밀을 푸는 것이 목표다”라고 말했다.

정선군 예미산의 한덕광산 갱도 지하 1,000m 깊이에 독립적으로 설치된 뉴트리노 탐지 연구시설이다. 깊은 토양층은 뉴트리노 탐지에 방해가 되는 우주방사선을 걸러주는 체 역할을 하기 때문에 지표면 대비 100만분의 1로 우주방사선을 차단해줄 것이라고 한다. 이탈리아, 미국, 캐나다, 일본 등에서도 암흑물질과 뉴트리노를 포착하려는 실험시설을 지하 1,000~2,000ｍ에 설치 운영하며, 중국은 2,400ｍ 깊이에 시설을 가지고 있다 한다.​

뉴트리노를 지하 깊은 곳에서 탐지하려는 이유는, 지상에서는 뉴트리노를 포착하기 어렵기 때문이다. 태양을 비롯한 우주에서는 온갖 방사선이(우주방사선) 끊임없이 지구로 쏟아지고 있으며, 이들은 잡음 역할을 한다. 이런 방해 요소를 없애는 좋은 방법의 하나가 가능한 깊은 곳(지하, 심해, 남극 얼음층 아래)에 탐지시설하는 것이다.​

뉴트리노는 가장 작은 기본입자

우주가 탄생할 때 물질과 반물질이 절반씩 생겨났다고 과학자들은 말한다. 우리가 알고 있는 물질(세상에 존재하는 원자의 핵과 전자)은 여러 가지 기본입자들(fundamental particles)로 구성되어 있다. 기본입자는 아원자 입자(subatomic particles), 소립자(elementary particles)라 불리기도 한다.

쿼크는 기본입자 중에 붉은색으로 나타낸 6종에게 붙여진 이름이다. 아래의 녹색 6종은 뉴트리노 3종이 속한 렙톤, 오른쪽의 4종은 force carrier(핵력 운반자)라 불린다. 위에 나타낸 기본입자 외에 히그스(higgs)라는 것도 있다. 쿼크, 광자, 전자를 포함한 기본입자들은 더 이상 쪼갤 수 없는 가장 작은 존재이다.​

뉴트리노는 손톱 면적에 매초 1,000억개가 지나갈 정도로 가장 많이 존재하면서도 영향이 제일 적은 입자이다. 스마트폰과 컴퓨터를 동작시키는 전자도 뉴트리노처럼 기본입자에 속한다. 전자의 질량은 양성자 질량의 1,836분의 1에 불과하다. 전자는 음전하를 가졌지만, 뉴트리노는 전하가 없다.​

뉴트리노는 기본입자들 중에 가장 질량이 작다. 작아도 너무 작고 가볍다. 우주에서 가장 작은 소립자(기본입자)가 바로 뉴트리노인 것이다. 뉴트리노라고 해서 전부 같은 질량을 가진 것도 아니다.​​

노벨상을 기다리는 뉴트리노 연구

뉴트리노는 흥미로운 역사를 가지고 있다. 이것의 존재는 1930년에 오스트리아의 이론물리학자 파울리(Wolfgang Pauli 1900-1958)가 처음 예측했다. 이후부터 다수의 과학자들이 이를 직접 탐지하려고 노력했다. 이후 1956년에 3인의 물리학자가 실험적으로 확인하는데 성공하여, 이들은 1995년에 노벨물리학상을 공동 수상했다.​

뉴트리노는 태양 속에서 핵분열이 일어날 때, 별이 폭발할 때, 지각이나 원자로 속의 방사성 물질이 분열할 때 대량 생겨난다. 태양에서는 핵융합반응이 일어난다. 이때 태양에서 방사되는 에너지의 2%는 뉴트리노라고 한다.​

대부분의 뉴트리노는 지구를 투명체처럼 뚫고 통과한다. 이렇게 작은 존재를 어떤 방법으로 측정할 수 있을까? 그래서 연구자들은 거대한 규모의 뉴트리노 탐지시설을 심해 또는 지하 깊은 곳에 설치하고 있는 것이다. 이를 탐지하는 구체적인 방법은 너무 전문적이다.​

1) 뉴트리노의 무게는?

정확한 질량은 모르고 있다. 또 뉴트리노의 종류에 따라 질량이 다르다. 그동안 알려진 3종의 뉴트리노를 조사한 결과, 평균 질량이 전자 질량의 1,000,000분의 1이라고 알려졌다. ‘뉴트리노는 질량이 없는 기본입자’라는 표현 그대로이다. 뉴트리노가 왜 이렇게 작은지, 우주에서 무슨 작용을 하는지, 실제 질량이 어느 정도인지 모두 신비이다.​

2) 어떤 뉴트리노가 가장 가벼운가?

뉴트리노는 위 그림과 같이 타우 뉴리리오(tau nutrino), 전자 뉴트리노(electron nutrino), 뮤온 뉴트리오(muon nutrino) 3종이 알려져 있다. 3종의 질량이 왜 다른지도 신비이다.​

3) 뉴트리노의 종류는 얼마나 되나?

위에서 설명한 3종의 뉴트리노는 다른 기본입자인 타우, 전자, 뮤온과 관계가 있다. 다른 뉴트리노 종류는 아직 모르고 있다. 중력이나 핵력과 관계되는 뉴트리노도 연구되고 있다.

이탈리아의 지하에 설치된 뉴트리노 연구소인 페르미랩(ICARUS). 100여명의 과학자들이 연구하고 있다.​

4) 뉴트리노는 전자기력의 영향을 받는가?

과학자들은 뉴트리노가 물질을 이온화시키지 않으므로 전자기력의 영향을 받지 않는다고 생각한다.​

5) 반물질(antimatter)이 있듯이 반뉴트리노도 존재할까?

반물질을 연구하는 과학자들은 반양성자, 반중성자, 반분자, 반뉴트리노 등에 대한 의문도 가지고 있으나 아직 수수께끼이다.​

6) 가장 강력한 뉴트리노는 어디서 나오나?

뉴트리노는 지구를 투명체처럼 투과하는 기본입자이다. 가장 강력한 뉴트리노는 태양, 초신성, 블랙홀, 원자로 등에서 발생할 것이다.​

7) 왜 뉴트리노를 연구하는가?

뉴트리노를 잘 알게 되면, 지금보다 통신을 더 효과적으로 할 수 있게 되고, 핵무기가 숨겨진 곳을 찾아낼 수 있으며, 암흑물질에 대한 수수께끼를 알 수 있을 것이라고 믿기 때문이다.​

빅뱅 이후 우주가 탄생하면서 반물질이 생겨날 때, 반쿼크(antiquark)와 반뉴트리노(antinutrino)도 동시에 생겨났을 것이다. 이를 연구하는 과학자들은 우주 탄생 때 뉴트리노가 어떤 역할을 했는지 알고싶어 한다. – YS