10. 중성미자가 우리 몸을 뚫는다? (마지막 회)

<네모 속의 물리학>

중성미자 검출 시설

중성미자

중성미자는 풍부하지만 파악하기 힘든 입자이며 외부 우주로부터 오는 궁극의 메신저다.

파악하기 힘든 중성미자(neutrino)는 베타 플러스 붕괴를 포함한 일부 핵작용(nuclear processe)으로 만들어지는 입자다. 중성미자가 전하를 갖지 않고 질량이 거의 없다는 사실은 우주의 가장자리를 연구하는 데 이상적인 도구가 되게 한다.

태양과 다른 별들에서 핵융합에 의해 대량으로 생성되며 빛의 속도에 근접한 속도로 움직이는 셀 수 없이 많은 중성미자가 항상 우리의 몸을 통과해 지나간다. 사실 중성미자는 일상의 물질과 거의 반응하지 않기 때문에 대부분은 행성 전체를 그냥 통과해버린다. 중성미자는 전하를 띠지 않으므로 전자기장에 의해 굴절되지 않으며, 이는 중성미자가 먼 별들로부터 우리에게 똑바로 온다는 의미다. 또한 반중성미자도 존재하는데, 반중성미자는 중성미자와 똑같은 특성을 공유하지만 반대로 회전한다.

회전은 양자 분야에서 가장 중요하면서도 모호한 측면 중 하나다. 회전은 우주의 모든 입자를 서로 아주 다른 특성을 가진 두 개의 본질적 유형으로 세분한다.

그 명칭에도 불구하고 양자회전은 단순히 입자의 축을 중심으로 한 회전이 아니다. 정작 회전하는 것은 아원자 입자가 아닌 그들 내부의 전하인 것으로 보이며, 그렇게 그들의 전하가 회전함으로써 미세하지만 측정할 수 있는 자기장을 발생시킨다.

MRI

자기공명영상(MRI; Magnetic Resonance Imaging)은 신체 내부의 수분 안에 있는 수소 원자핵(양성자)들의 회전을 일시적으로 방해하며, 그런 후 원자핵들이 원래 상태로 되돌아가면서 방출하는 전파 신호를 분석하는 의학 기술이다.

중성미자가 반응을 거의 보이지 않는데 어떻게 찾아낼까? 중성미자 관측소들은 일반적으로 땅속 깊이 묻혀 있으며, 거기서는 위에 있는 바위가 다른 입자들을 차단한다. 탐지하는 방법 중 하나는 감마선 등의 접근이 어려운 깊은 곳에 거대한 물탱크를 만드는 것이다. 중성미자들은 아주 가끔 다른 분자들과 충돌해 체렌코프 복사(Cherenkov radiation)의 푸른색을 띤 빛으로 이어진다.

중성미자는 한때 전혀 질량이 없는 것으로 생각되었지만, 실험 결과 질량이 있음이 밝혀졌다. 즉 전자보다 최소 수백만 배 작다. 그리고 최근 중성미자들이 세 종류의 상이한 진동을 갖는다는 것을 알아냈는데 그중 하나만이 검출될 수 있다.

컴퓨터 시뮬레이션이 지하 물탱크 안에서 만들어진 중성미자의 경로를 지도화한다. 드물지만 중성미자가 물 분자를 때리면 고속의 전자가 방출될 수 있고 이때 생성된 체렌코프 복사가 광전자증배관에 의해 검출될 수 있다.

중성미자는 우주에서 광자 다음으로 가장 일반적인 입자다.