프랜시스 할젠 노벨 물리학상과 중성미자 천문학

이번 수상의 대상은 중성미자라는 입자의 존재 자체를 처음 알아낸 일이 아닙니다. 노벨위원회는 할젠이 아이스큐브 중성미자 관측소를 만드는 데 결정적으로 기여한 점과 천체물리학적 기원의 고에너지 중성미자를 발견한 점을 수상 이유로 제시했습니다. 우주에서 오는 입자를 실제로 관측할 시설을 구현한 일과 그 시설로 얻은 과학적 성과를 함께 인정했습니다.

중성미자는 뉴트리노라고도 부르는 기본 입자입니다. 전하가 없고 질량이 매우 작으며, 다른 물질과 거의 반응하지 않아 지구나 사람의 몸도 대부분 흔적 없이 통과합니다. 우주에서 날아온 입자를 검출하려면 이렇게 드문 반응을 찾아내야 하므로, 중성미자가 많다는 사실과 관측이 쉽다는 것은 서로 다른 이야기입니다.

아이스큐브는 남극점의 아문센-스콧 기지 인근에서 약 1㎦의 얼음을 검출기로 활용하는 시설입니다. 연구진은 얼음 표면 아래 1,450~2,450m 깊이에 빛을 감지하는 센서를 설치했습니다. 깊고 투명한 얼음은 외부의 빛과 방해 신호가 적어 희미한 흔적을 관측하기에 적합하고, 거대한 부피는 드문 반응을 포착하는 데 도움이 됩니다.

센서가 기록하는 것은 중성미자 자체의 모습이 아니라 반응 뒤에 생긴 빛입니다. 중성미자가 얼음 속 원자핵과 드물게 반응하면 전하를 띤 다른 입자가 생기고, 그 입자가 움직이면서 빛을 남깁니다. 연구진은 빛이 퍼진 모양과 센서에 도착한 시각 등을 분석해 원래 중성미자의 에너지와 날아온 방향을 추정합니다.

고에너지 중성미자가 중요한 이유는 먼 우주의 발생원에 관한 정보를 전달할 수 있기 때문입니다. 빛은 이동 중 물질에 흡수될 수 있고, 전하를 띤 입자는 우주 자기장의 영향으로 경로가 휘어질 수 있습니다. 중성미자는 이런 영향을 거의 받지 않으므로, 관측 방향과 에너지는 입자를 만들어낸 천체와 그 안에서 벌어진 현상을 연구하는 단서가 됩니다.

할젠이 이끄는 국제 공동연구진은 2013년 태양계 밖에서 온 고에너지 중성미자의 관측 결과를 발표했습니다. 이 성과는 중성미자를 우주 관측에 활용하는 연구로 이어졌습니다. 다만 입자를 검출하는 것과 발생한 천체를 특정하는 것은 구별되는 작업이며, 중성미자 관측을 망원경으로 얻은 다른 신호와 연결하는 연구도 진행하고 있습니다.