두 달 만에 수십 년치 데이터… 中 주노, 중성미자 비밀 푼다

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네이처에 연구 결과 발표
광센서 4만 개로 ‘유령입자’ 추적
1, 2번 섞임각-질량 차 정밀 측정… 물질-반물질 비대칭성 규명 기대

중국 ‘장먼 지하 중성미자 관측소(주노·JUNO)’ 수조 밖에 설치된 광센서. 주노는 원전에서 약 53km 떨어진 지하 700m 공간에 설치된 거대 장치로 수조에 2만 t의 액체섬광체가 채워져 중성미자 검출 실험을 수행한다. JUNO Collaboration 제공

지난해 8월 가동을 시작한 중국의 ‘장먼 지하 중성미자 관측소(주노·JUNO)’가 역대급 정밀도의 데이터를 공개하면서 물리학계의 주목을 받고 있다. 단 두 달간 수집한 데이터만으로 지난 수십 년간 다른 실험 장치에서 쌓아 온 데이터와 비슷한 수준의 정확도를 달성했다.

주노 연구팀은 59.1일간 중성미자의 질량 차이를 정밀 측정한 실험 데이터를 공개하고 연구결과를 10일(현지 시간) 국제학술지 ‘네이처’에 공개했다.

중성미자는 아직 질량이 정확히 알려지지 않은 우주의 기본 입자다. 우주의 기원 등 근본적인 질문에 답을 찾아줄 단서로 꼽히지만 질량이 매우 작고 전하도 띠지 않아 연구가 까다롭다. 다른 물질과의 상호작용이 거의 없어 ‘유령 입자’라는 별명이 붙을 정도다. 중성미자는 전자, 뮤온, 타우 등 세 종류로 구분된다. 상호작용했을 때 어떤 입자를 만들어 내는지를 기준으로 분류된다. 중성미자가 운동을 할 때는 질량 차이에 따라 1번, 2번, 3번(질량 상태에 대한 과학계의 편의상 명칭) 등 세 가지 상태로 이동한다. 각 중성미자는 이동하면서 전자·뮤온·타우 중성미자의 구성 비율이 계속 변화하는 고유한 ‘진동’ 특성이 있다. 예를 들어 100% 전자 중성미자로만 생성된 중성미자들도 질량 특성에 따라 이동하면서 처음에 없었던 뮤온 중성미자나 타우 중성미자가 늘었다가 줄어들기를 반복한다.

1번, 2번, 3번의 질량 순서는 아직 명확하지 않다. 태양에서 발생한 중성미자 관측 실험을 통해 1번보다 2번이 무겁다는 관계는 밝혀졌지만 1번과 2번 사이보다 질량 차이가 훨씬 큰 것으로 알려진 3번이 가장 무거운지 혹은 가벼운지는 측정되지 않았다. 중성미자 진동을 정밀하게 측정해 중성미자 3종의 정확한 질량 순서를 규명하는 것이 주노의 주요 임무다. 주노는 원자력발전소(원전)에서 약 53km 떨어진 지하 700m 공간에 설치된 거대한 실험장치로 공식적인 사업비만 4000억 원이 넘는다. 원전에서 나온 중성미자를 붙잡는 ‘덫’이다. 53km 거리는 원전에서 발생한 중성미자의 진동이 최대화되는 지점으로 설계돼 검출 효율이 최적화됐다.

주노는 지름 35.4m, 무게 약 600t의 둥근 아크릴 구조물로 내부에 2만 t의 액체섬광체가 채워져 있다. 액체섬광체는 중성미자가 매우 낮은 확률로 충돌할 때 아주 짧은 순간 에너지가 높아졌다가 낮아지면서 빛을 내는 특수한 액체다. 주노 표면에 설치된 4만 개가 넘는 광센서(PMT)가 이 빛을 감지해 중성미자 신호를 잡아낸다.

국내 중성미자 연구자인 유종희 서울대 물리천문학부 교수는 “주노는 150t급 선행 실험인 ‘다야 베이 중성미자 실험’보다 약 125배나 규모가 커졌다”며 “검출기의 크기와 분해능이 크게 향상돼 중성미자의 ‘섞임각’을 정밀 측정한다”고 설명했다. 섞임각은 구성하는 중성미자 비율이 변하는 정도를 나타내는 고유한 수치다. 이번에 발표된 데이터는 앞서 확인된 1번, 2번 중성미자 섞임각과 질량 차이를 정밀 측정했다.

유 교수는 “기존 실험들이 지난 수십 년간 측정해온 결과와 비슷한 수준의 정밀도를 주노는 불과 두 달 만에 보였다”며 “이번 실험 결과는 앞으로 주노 검출기가 세계 최고의 정밀도를 확보했으며 앞으로 발표할 결과를 기대해도 좋다는 것을 세상에 미리 공표한 것”이라고 설명했다. 이어 “앞으로 주노가 더 많은 데이터를 수집해 중성미자 질량 순서를 명확하게 관측하면 우주 탄생의 난제로 여겨지는 물질-반물질 비대칭성을 규명하는 데 공헌할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이병구 동아사이언스 기자 2bottle9@donga.com