2015년 노벨 물리학상 수상자

 이번에는 심심해서 올해 노벨 물리학상 수상자에 대해 조사해보았는데요, 일본인 노벨상 수상자가 정말 많다는 생각이 듭니다. 우리나라에서도 하루 빨리 노벨상 수상자가 나와야 할 텐데요.

 

중성미자 진동을 발견한 카지타 타카아키와 아서 B. 맥도날드

      

 10월 6일, 스웨덴 왕립과학원은 2015년 노벨 물리학상 수상자를 발표하였다. 그 주인공은 바로 일본 도쿄대 교수 카지타 타카아키(Takaaki Kajita)와 캐나다 퀸즈대학교 교수 아서 B. 맥도날드(Arthur B. Mcdonald). 이 둘은 중성미자(neutrino)가 질량이 있음을 증명하는 ‘중성미자 진동’을 발견하였다.

 

 중성미자는 약력과 중력에만 반응하는 소립자로 스핀은 1/2인 페르미온과 렙톤이며 약한 아이소스핀이 –1/2로 존재하여 전하를 띄지 않는다(‘중성’이라 불리는 이유). 우주에서 광자(photon) 다음으로 많이 존재하며 다른 입자와 거의 상호작용을 하지 않아 발견되기 매우 힘들다. 이 때문에 ‘유령입자’라는 별명이 붙기도 하였다. 우주에서 날아오는 중성미자는 우리 몸을 초당 1000억 개가 지나가지만 아무런 영향을 미치지 않는다. 따라서 물리학자들에게 중성미자의 존재와 질량을 밝혀내는 것은 오랜 숙제였다.

 

 1990년대 당시, 중성미자는 질량이 없을 것으로 생각되었다. 그런데 카지타 타카아키 교수는 1998년 일본의 지하관측검출기인 ‘슈퍼가미오칸데’를 이용하여 실험하던 도중, 중성미자 진동 현상을 관측하였다. 그는 뮤온 중성미자와 전자 중성미자의 비율이 서로 달라진다는 사실을 알아냈다. 맥도날드 교수는 태양의 핵융합 과정에서 발생하는 중성미자가 지구에 날아오는 중간에 다른 종류의 중성미자로 전환된다는 사실을 밝혀냈다.

 

 

 중성미자 진동이란 중성미자의 종류가 시간에 따라 전환되는 현상으로 브루노 폰테코르보가 처음으로 예측하였다. 그는 중성미자가 전파해 나가면서 각 종류로 존재할 확률이 변한다고 주장하였으며, 이 현상의 관측은 중성미자가 질량을 가지고 있음을 의미하였다. 지금까지 중성미자 진동은 다양한 증거로부터 확인되었다. 카지타 타카아키 교수가 발견한 증거는 대기 중성미자 진동으로, 뮤온이 대기중에서 붕괴하여 전자 중성미자를 만들어내는 과정을 발견한 것이다.

 

 특히 슈퍼가미오칸데 장치는 지구의 반경을 고려하여 수백 MeV에서 수 TeV 범위까지 초정밀하게 측정 가능하다고 한다. 맥도날드 교수가 발견한 것은 태양 중성미자 진동으로, 태양에서 날아오는 중성미자를 검출기로 검출하였다. 태양 내부에서는 MSW 효과로 알려진 공명을 통해서 진동이 일어난다. 이외에도 원자로에서 나오는 전자 반중성미자의 진동을 측정할 수 있고 입자 가속기에서도 중성미자를 통제하여 진동을 관측할 수 있다. 또한 2008년 독일 다름슈타트의 GSI 헬름홀츠 중이온 연구소는 프라세오디뮴-140과 프로메튬-142의 방사성 붕괴를 연구하여 원자붕괴와 중성미자 진동을 연관지어 설명하였으나 이에 대해서는 아직 의견이 분분하다.

 

 그러나 질량의 존재성을 확인했을 뿐이지 아직까지 중성미자의 절대질량은 측정하지 못하고 있으며(너무 작기 때문이다) 그 성질 또한 베일에 가려진 부분이 많아 갈 길이 멀다. 2011년에는 CERN이 중성미자를 쏘아 보낸 실험에서 빛보다 빠르게 도달하였다는 놀라운 결과를 발표하여 전세계의 관심을 끌었지만, 재실험 결과 측정 오류로 판단되어 헤프닝으로 끝나고 말았다. 이외에도 중성미자는 암흑물질의 강력한 후보로 거론될 만큼 물리학계의 관심이 뜨거운 소립자이다.