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by NEW LIFE 뉴라이프 Sep 03. 2023

“보이지 않는·잡을 수 없는” 소립자：뉴트리노편

Neutrino

이 세상의 참된 법칙을 아는 것, 그 모든 것을 이해하는 것, 외부 세계의 모든 것을 아는 것은 자신의 내면세계를 아는 것이기도 합니다. 이번에도 순수한 지성의 세계, 형이상학/형이하학의 세계를 탐구하는 명상을 해봅시다.

지금까지 '존재하고 있을 것'인데 '전혀 보이지 않고 관측할 수 없는 것'이 있고, 그것은 먼 은하계뿐만 아니라 우리가 있는 은하수 은하계에도 보이는 별의 몇 배~10배나 되는 암흑물질이 존재한다는 것을 소개했습니다(*1, *2). 암흑물질에 대해서는 아직도 많은 수수께끼가 남아 있고, 어떤 물질인지도 거의 밝혀지지 않았습니다.

암흑물질에 대한 연구를 소개하기 전에, 이번에는 최근까지 밝혀지지 않았던 소립자 '뉴트리노'에 대해 자세히 알아보겠습니다.

뉴트리노란?

뉴트리노는 소립자의 일종입니다. 이미지로 나타낸 소립자가 현재까지 밝혀진 17종류의 소립자입니다. 현재 우리가 인식하고 있는 세계(과학적으로 파악할 수 있는 형이상학적인 세계)는 모두 이것들로 이루어져 있다고 해도 과언이 아닙니다.

이 중 왼쪽 하단에 있는 것이 바로 뉴트리노의 그룹들입니다. 전자 뉴트리노, 뮤뉴트리노, 타우뉴트리노의 3종류(3세대)가 있는데, 특별한 언급이 없다면 이 중 가장 기본적인 전자 뉴트리노를 가리킨다고 생각하면 됩니다.

뉴트리노의 무게(질량)는?

우리에게 잘 알려진 가벼운 소립자 '전자'는 양성자나 중성자 무게의 약 2000분의 1로 알려져 있습니다. 전자의 무게를 kg으로 표현하면 9.1×10^-31kg(1밀리그램의 1조분의 1, 1조분의 1)의 무게입니다. 뉴트리노의 무게의 상한은 3.6×10^-36kg(<2eV/c^2: 에너지로 표기)이므로 전자의 20만 분의 1 이하의 무게라고 합니다(*4). 무게도 매우 가벼워 중력에도 잘 잡히지 않는 소립자입니다.

뉴트리노는 어디에 있을까?

뉴트리노는 우리 주변에서 흔히 볼 수 있습니다. 지구상에서 우주 공간까지 어디에나 있다고 해도 과언이 아닙니다.

뉴트리노는 어디에서 발생할까?

가장 쉽게 알 수 있는 것은 태양에서 방출되는 태양 뉴트리노입니다. 태양에서는 끊임없이 핵융합 반응이 일어나고 있으며, 에너지가 방출되고 있습니다. 그 중 일부가 태양광(자외선/가시광선/적외선)으로 지구에 내리쬐고, 동시에 뉴트리노도 지구로 쏟아져 내립니다.

다음은 대기 중 뉴트리노로, 우주에서 온 우주선이 대기권의 원자핵과 반응해 뉴트리노가 생성됩니다. 빈도는 적지만 '초신성 폭발(*5)'에서도 대량의 뉴트리노가 방출됩니다. 핵융합 반응이 활발하게 일어나는 상황에서는 뉴트리노도 대량으로 생성됩니다.

가까운 곳에서는 방사성 물질의 베타 붕괴(Image 2, 6*)라는 핵분열 과정에서 발생합니다. 　

β- 붕괴: n(중성자) → p+(양성자) + e-(전자) + ν*(반전자 뉴트리노) (식 i) 　　　　

예: 42Ar(아르곤 42)→42K(칼륨 42) 　

β+ 붕괴 : p+(양성자) → n(중성자) + e+(양전자) + ν(전자 뉴트리노) (식 ii) 　　　　

예: 132Nd(네오디뮴 132)→132Pr(프라세오디뮴 132)

뉴트리노의 존재는 언제부터 알려졌을까?

1930년 독일의 물리학자 볼프강 에른스트 파울리(*7)가 방사성 물질의 베타붕괴(그림자 붕괴)를 연구한 것이 시초입니다. 그러나 "붕괴 후 운동에너지의 증가가 질량의 감소와 일치하지 않는다"는 것을 발견했습니다. 이에 파울리는 "전하를 가지지 않은 어떤 입자가 에너지를 빼앗아 가고 있다"고 주장했습니다. 당시 파울리는 이 사실을 편지에 적어 지인에게 보냈는데(이미지3), 이것이 뉴트리노의 개념을 기록한 가장 오래된 기록으로 여겨집니다.

뉴트리노는 언제 처음 발견되었을까?

파울리의 편지로부터 20여 년 후인 1950년대에 라이네스, 카완 등의 실험으로 원자로에서 발생한 뉴트리노 빔을 물에 쏘아 물 분자 내 원자핵과 중성미자의 반응으로 발생한 중성자와 양전자를 관찰함으로써 뉴트리노의 존재가 증명되었습니다(*9).

자연계의 뉴트리노는 언제 발견되었을까?

1987년 2월, 일본 기후현 가미오카 광산의 연구장치 '카미오칸데'(*10)에 의해 우주에서 날아오는 뉴트리노가 처음으로 관측되었습니다. 당초 '양성자 붕괴 검출'을 목적으로 건설된 카미오칸데는 진척이 없자 '뉴트리노 관측'으로 방향을 전환해 1987년 2월에 태양 뉴트리노를 측정할 수 있는 준비가 완료되었습니다. 하지만 얼마 지나지 않은 1987년 2월 23일, 우연찮게 대마젤란 구름(은하수 은하에서 15~6만 광년 떨어진 은하)에서 초신성 폭발이 일어났습니다. 이 폭발로 인해 지구에 대량으로 쏟아진 뉴트리노/반뉴트리노가 카미오칸데와 해외의 시설에서도 관측되었습니다.

뉴트리노는 왜 예상보다 50년 이상 발견되지 않았을까?

뉴트리노의 특징 중 하나로 '다른 물질과 거의 상호작용을 하지 않는다'는 성질을 들 수 있는데, 이것이 관측이 어려웠던 이유라고 생각됩니다.

다른 물질과 '상호작용을 하지 않는다'는 것은 어떤 의미일까?

이 세상의 물리 법칙의 기초가 되는 4가지 상호작용 '전자기력/강한 상호작용/약한 상호작용/중력'이라는 것이 있는데, 지난 기사 '우주의 창조와 유지에 필수적인 4가지 힘(*11)'에서 설명했으니 이해가 잘 안 되시는 분들은 먼저 읽어보시면 좋을 것 같습니다.

"상호작용하지 않는다"는 것은 "어떤 특정한 힘이 작용하지 않는다=무효"라는 뜻입니다. 예를 들어 "광자(빛)는 중력과 상호 작용하지 않는다"는 것은 빛은 무게가 없기 때문에 중력에 끌릴 수 없다는 뜻입니다(중력은 공간을 왜곡하기 때문에 실제로는 빛이 중력에 굴절하지만 중력에 끌린다는 것은 아닙니다).

뉴트리노에 관해서는,

'전자기력과 상호작용하지 않는다' → 빛으로 관측할 수 없고, 궤도 전자와 충돌하지 않는다.

'강한 핵력과 상호작용하지 않는다' → 양성자 등을 보유하고 있는 강력한 힘의 영향도 받지 않는다.

‘중력과의 상호작용은 있다’ → 단, 전술한 바와 같이 매우 가볍고 영향을 받기 어렵다.

'약한 핵력과의 상호작용은 있다' → 원자핵과 충돌하여 반응할 수 있다. 라는 것을 알 수 있습니다.

이 때문에 이미지4 상단에서 보듯이 뉴트리노는 원자를 거의 그대로 통과하여 영향을 주지 않고 투과합니다. 반면, 전자기 상호작용을 하는 광자나 전자기파(자외선, 감마선 등)는 원자핵이나 궤도전자와 상호작용을 하기 때문에 충돌/굴절하거나 궤도전자를 튕겨내는 등 원자에 영향을 미칩니다.

태양에서 얼마나 많은 뉴트리노가 우리에게 쏟아지고 있을까?

계산해보면 태양에서 나오는 뉴트리노는 초당 수백조 개(>10^14개!)나 우리 몸을 통과하고 있습니다.

뉴트리노가 인체에 미치는 영향은?

태양에서 대량으로 방출되는 자외선과 뉴트리노, 둘 다 눈에 보이지도 않고 피부로 느낄 수도 없습니다. 이미지4에서 보는 바와 같이 뉴트리노의 경우, 닿아도 거의 반응하지 않고 통과하기 때문에 인체에 영향을 미치지 않지만, 자외선의 경우 피부 세포의 원자와 상호작용을 하기 때문에 '일광화상/염증'의 형태로 인체에 영향을 미칩니다. '상호작용하지 않는다'는 성질은 '보이지 않고 만져지지 않는다'는 것뿐만 아니라 '전자파와 같은 영향을 미치지 않는다'고 할 수 있습니다.

그렇다면 상호작용하기 어려운 뉴트리노를 어떻게 관측했을까?

가미오카 광산 지하 1000미터에 3000톤의 순수를 준비하고 그 벽에 거대한 센서(광전자 증배관)를 설치한 것이 관측 장치 '카미오칸데'로 건설되었습니다(이미지 참조).

관찰하고자 하는 반응은 위의 식(i),(ii)를 변형한 다음과 같은 반응입니다. 　

ν*(반전자 뉴트리노) + p+(양성자) → n(중성자) + e+(양전자) (식 i') 　

ν(전자 뉴트리노) + n(중성자) → p+(양성자) + e-(전자) (식 ii')

에너지가 높은 뉴트리노/반뉴트리노로부터 생성된 일부 입자는 물속에서 빛의 속도를 초과하는 경우가 있습니다. 이때 발생하는 빛을 체렌코프 빛(*13)이라고 하는데, 이 빛이 카미오칸데 내부의 센서에 감지됨으로써 뉴트리노의 존재를 확인할 수 있게 됩니다(이미지 5 오른쪽 아래).

왜 카미오칸데와 같은 대규모 연구시설이 필요한가?

지하 1000미터에 건설된 이유는 "불필요한 물질이 날아오지 않도록" 하기 위함입니다. 1000미터 두께의 벽을 뚫고 들어올 수 있는 입자는 뉴트리노 등 극히 일부에 국한되며, 3000톤의 물을 준비한 것은 "반응 확률을 높이기 위함"입니다. 3000톤의 물에는 10^34개의 H2O 분자가 들어있습니다. 많으면 많을수록 뉴트리노와 양성자/중성자의 충돌 확률이 높아져 위 식 (i')/(ii')의 반응 확률이 높아집니다.

실제로 뉴트리노가 관측되었을 때의 상황은?

앞서 언급한 1987년 2월 23일의 초신성 폭발의 모습을 이미지로 나타냈습니다. 보시다시피 오른쪽 하단에 거대한 발광이 관측되고 있는데, 15만 광년 정도 떨어진 지구에서 보더라도 이 정도 규모의 폭발이라면 상상을 초월하는 에너지와 입자가 방출된 것으로 추정됩니다. 실제로 이때 카미오칸데의 관측 결과는 '11개의 뉴트리노 흔적이 관측되었다'고 합니다. 같은 시기 미국 시설에서의 뉴트리노 관측 보고에 따르면 그 곳에서도 '8개'라는 희귀한 관측 데이터를 얻었는데, 3000톤의 물을 준비하고 한 은하에서 수십 년에 한 번씩 일어나는 초신성 폭발로 '11개'를 관측했다는 점에서 '희귀한 뉴트리노의 상호작용을 관측하는 것이 얼마나 희귀하고 어려운 일인지 알 수 있습니다.’

'보이지 않는/만질 수 없는' 물체에 한 발짝 더 다가섰다.

이렇게 파울리의 예상으로부터 50여 년이 지난 지금, 많은 과학자들의 탐구 끝에 자연계의 뉴트리노를 실측할 수 있게 되었습니다. '상호작용하지 않는' 물질이라는 것은 모든 것을 스쳐 지나가는, 포착할 수 없다는 점에서 관찰과 분석이 매우 어렵다는 것을 알 수 있습니다. 그리고 이 발견으로 카미오칸데에서 뉴트리노 천문학의 기초를 닦은 고시바 마사토시 씨는 우주과학 분야에 대한 공로를 인정받아 2002년 노벨 물리학상을 수상하게 됩니다.

노벨상 수상 당시 고시바씨의 수상소감

2002년 노벨 물리학상 수상 당시 기자의 인터뷰에서 "이 연구가 무슨 도움이 될까요?"라는 질문에 고시바 씨는 "평범한 생활에는 아무런 도움이 되지 않습니다."라고 대답했습니다(*15). 이것은 고시바 씨로서는 아무런 의도가 없는 솔직한 대답이었겠지만, 명상의 의식과 연결되는 매우 중요한 내용이라고 생각됩니다. '도움이 된다' = '득과 실에 관여한다'는 뜻으로 연결됩니다. 명상으로 말하면 '손익에 관계되는 것' = '일상생활', '돈', '인간관계', '직장/승진', '경제활동', '가족 친지' 이 모든 것이 '스트레스의 원인'이 되는 '잡념'에 다름 아니기 때문입니다.

고시바 마사토시 씨(*14)

고시바 씨나 파울리 씨나 아인슈타인 씨나 위대한 과학자들의 원동력은 '손익', '유용성 여부'가 아니라 순수하게 '신이 창조한 법칙을 알고 싶다', '진실을 포착하고 싶다'는 정신이 아니었을까 생각합니다. 그런 의미에서 이런 과학자들의 연구를 생각할 때의 의식은 명상 상태에 가까웠던 것이 아닐까 생각됩니다.

저 자신도 지금까지의 글을 쓰면서 일상생활에 도움이 되는 것은 아니고, 독자분들도 이 뉴트리노 관련 글을 읽고 일상생활에 도움이 되는 것은 아니라고 생각합니다. 바쁜 사람은 읽을 필요가 없을 것이고, 읽을 시간이 있는 사람은 읽으면 좋을 것 같습니다. 다만, 이런 일상과 무관한 기사를 읽을 시간이 있는 사람이나, 하루 2시간 이상 명상에 시간을 할애할 수 있는 사람은 '손익의 세상'에 살고 있지 않다고 생각합니다. 그런 손익계산 없이 기사를 읽는 사람이 많아지면 좋겠습니다.

그런데 뉴트리노에는 아직 우주 창조의 비밀이 숨겨져 있습니다. 보통 입자는 스핀이 있어 '오른쪽 감기'와 '왼쪽 감기' 중 하나를 가지고 있지만, "뉴트리노는 왼쪽 감기밖에 없다(발견되지 않았다)." 라고 알려져 있습니다. 이 신기한 성질에 대해서는 나중에 설명해 드리도록 하겠습니다.

저자: Takuma Nomiya l 번역: Sim Min Aa

Profile

Takuma Nomiya 의사・의학박사

임상의사로서 20년 이상 다양한 질병과 환자를 접하며 신체적 문제와 동시에 정신적 문제도 다루고 있다. 기초연구와 임상연구로 다수의 영문 연구 논문을 집필. 그 성과는 해외에서도 인정받아 직접 학술 논문을 집필할 뿐만 아니라 해외 의학 학술지로부터 연구 논문의 피어리뷰 의뢰를 받기도 한다. 증거 중심주의에 치우치지 않기 위해 미개척 연구 분야에도 관심을 기울이고 있다. 의료의 미래를 계속 탐구하고 있다.