요약
프랜시스 할젠이 남극 아이스큐브 관측소로 우주 고에너지 중성미자를 찾아낸 공로로 2026년 노벨 물리학상을 단독 수상했습니다.
스웨덴 왕립과학원은 미국 위스콘신대 매디슨 캠퍼스의 할젠 교수를 올해 물리학상 수상자로 발표했습니다. 할젠은 1988년 남극 얼음으로 중성미자를 잡자는 구상을 처음 내놓았고, 국제 연구진을 이끌며 이를 실제 관측소로 만들었습니다.
왜 중요한가
- 지구 실험실보다 최대 100만 배 높은 에너지를 내는 우주의 천연 입자 가속기를 연구할 길이 열렸습니다.
- 중성미자는 방향이 꺾이거나 에너지를 잃지 않고 도착해, 다른 방법으로는 얻을 수 없는 정보를 전합니다.
- 노벨위원회는 할젠의 끈기와 구상이 새로운 종류의 천문학을 열었다고 평가했습니다.
핵심 내용
- 중성미자(지구와 사람 몸도 그대로 통과하는 입자)가 원자핵과 드물게 부딪칠 때 나는 빛을 얼음 속 센서로 추적합니다.
- 남극 얼음은 맑고 각종 간섭이 적으며, 지진이 없어 지질학적으로 안정적입니다.
- 우주 고에너지 중성미자는 워낙 드물어 얼음 1세제곱킬로미터 전체를 검출기로 씁니다.
- 관측소는 2011년 완공됐고, 몇 년 뒤 태양계 훨씬 바깥에서 온 중성미자를 확인해 발표했습니다.
- 할젠은 1944년 벨기에 티넌에서 태어났고, 상금 1,200만 스웨덴 크로나를 혼자 받습니다.
HN 반응
- 태양계 밖에서 온 걸 어떻게 아느냐는 질문에, 이용자들은 태양계에서 나올 수 없는 높은 에너지와 은하수 쪽에 몰린 도래 방향을 근거로 들었습니다.
- 남극까지 장비와 연료를 나르는 비용이 막대하다는 이야기가 오갔고, 미국의 남극 전용 과학 예산 덕분에 가능했다는 설명도 나왔습니다.
수상 대상인 아이스큐브(Ice Cube)가 왜 중요한지 정리해 보면 다음과 같습니다.
“- 중성미자가 드물게 원자와 충돌하면 전하를 띤 입자가 만들어집니다. 진공이 아닌 얼음 속에서는 특정 입자가 빛보다 빠르게 움직일 수 있습니다.”
저도 잠깐 헷갈렸으니 짚고 넘어갈 만하다고 봅니다. 정확히는 얼음 속에서 특정 입자가 얼음 속 빛의 속도보다 빠르게 움직일 수 있다는 뜻입니다.
고마워요, 저 부분 읽다가 잠깐 정신이 나가는 줄 알았어요.
빛은 전자기파라서 분자의 분극과 상호작용하기 때문에 유전체 물질 안에서 느려집니다. 반면 중성미자는 물질과 거의 상호작용하지 않습니다.
물로 식히는 원자로에서 보이는 그 전형적인 푸른빛도 같은 원리입니다. 전자가 물속에서 빛보다 빠르게 움직이면서, 지나간 자리에 광자로 이루어진 일종의 ‘음속 폭음’을 남깁니다.
이게 절대적이고 전면적인 법칙은 아닌 것 같습니다. 지구에 있는 고작 1km 크기의 얼음덩어리에서도 중성미자 충돌 표본을 얻을 수 있는 걸 보면요. (충돌 확률이 완전한 0은 아니라는 뜻이고, 중성미자가 우주를 가로지르며 겪은 전체 여정을 알 방법도 없다는 뜻입니다.)
맞습니다. 상호작용할 확률이 있긴 하지만 극도로 낮습니다. 중성미자의 에너지(운동량)에 따라 달라지긴 해도, 기본적으로 납 1광년 두께를 통과하고도 상호작용할 확률은 50 대 50밖에 안 됩니다.
규모를 가늠해 보자면, 1광년은 9,460,730,472,580,800미터이고, 지구에서 태양까지의 거리인 천문단위(AU)로는 63,241.077입니다.
말할 것도 없이, 상호작용이라는 걸 통틀어 보더라도 정말 약하게 상호작용하는 입자입니다...
1입방킬로미터짜리 얼음에 2.5km를 뚫으면 반대쪽으로 1.5km가 삐져나올 텐데, 이상하네요.
그건 어떻게 아는 건가요? 그리고 어디서 왔는지가 왜 중요한가요?
중성미자는 거의 아무것과도 상호작용하지 않기 때문에 경로가 출발점에서 틀어지지 않습니다. 발생원마다 방출하는 중성미자의 에너지 수준이 다릅니다. 중성미자가 원자핵과 부딪치면 얼음 속에서 푸른빛을 내는 입자가 거의 같은 방향으로 따라 나갑니다. 이 벡터의 방향과 크기(빛 에너지)를 측정하면 기원을 분류할 수 있습니다. 같은 특징을 가진 신호가 여럿 모이면, 그 방향에 그 에너지 수준으로 방출하는 천체가 있다는 걸 알 수 있습니다. 벡터와 에너지를 보면 태양계 안에서 온 것인지 아닌지도 어느 정도 알 수 있고요.
기원을 알아내면 먼지 구름이나 다른 장애물 뒤에 있는 천체도 볼 수 있게 됩니다.
그럼 운동량 보존은 어떻게 안 깨지는 거죠? 충돌이 전부 정면충돌이라는 말씀인가요?
관측 가능한 고에너지 충돌은 대부분 원래 중성미자의 경로와 매우 가깝게 정렬됩니다. 고에너지 중성미자의 전방 운동량이 충돌을 완전히 지배하기 때문입니다. 1톤짜리 공이 당구공을 때린다고 생각해 보세요. 당구공이 원래 어느 쪽으로 가고 있었는지는 상관없고, 결과로 나오는 경로는 1톤짜리 공의 경로입니다.
그렇지 않은 경우에는 충돌한 입자가 산란되어 검출기에 나타나지 않습니다. 저에너지 중성미자의 충돌은 빛도 아주 희미해서 검출하기 어렵습니다. 태양계에서 만들어진 중성미자가 여기에 속합니다.
이렇게 알 수 있습니다.
바로 이것이 이 연구의 의의입니다. 오늘 나온 일부 설명과 달리, 아이스큐브는 중성미자 자체를 연구하려고 만든 것이 아니라 중성미자를 이용해 우주를 연구하려고 만든 것입니다.
그래서 중성미자가 어디서 오는지가 중요합니다. 중성미자를 만들어 내는 천체물리학적 대상에 대해 알고 싶으니까요.
드라마 ‘빅뱅 이론’에 이거 다룬 에피소드 있지 않았나요?
얼음이 뭐가 그렇게 특별한가요?
핵심은 얼음이 아니라 H2O예요. 얼음이 좋은 건 단단해서 배가 필요 없기 때문이고요 [1]. 바다 밑에 검출기를 만드는 작업도 진행 중이에요 [2].
[1] https://www.amusingplanet.com/2015/07/the-surreal-world-of-neutrino-detectors.html
[2] https://news.cnrs.fr/videos/detecting-neutrinos-at-the-bottom-of-the-sea
그는 남극에 있는 1입방킬로미터 크기의 검출기, 아이스큐브 중성미자 검출기를 구상한 공로로 상을 받습니다.
https://en.wikipedia.org/wiki/IceCube_Neutrino_Observatory
작동 원리는 이렇습니다. 중성미자가 전하를 띤 입자로 변환되고, 이 입자를 체렌코프 복사로 검출합니다. 체렌코프 복사는 전하를 띤 입자가 그 매질 속 빛의 속도보다 빠르게 움직일 때 생깁니다. (진공에서의 빛의 속도는 넘을 수 없지만 매질 속 빛의 속도는 그보다 느리기 때문에 가능한 일입니다.)
관심 있으시다면 최근에 이 주제로 나온 논의도 있습니다. https://news.ycombinator.com/item?id=49655286
https://en.wikipedia.org/wiki/Cherenkov_radiation
물류 사슬의 가장 먼 끝인 남극점에 이렇게 큰 공학 프로젝트를 지으려고 무거운 자재를 어떻게 가져가는지 궁금하셨다면 아래를 보세요.
https://www.google.com/search?client=firefox-b-d&q=south+pole+overland+traverse
https://en.wikipedia.org/wiki/South_Pole_Traverse
https://octanepress.com/content/south-pole-traverse_antartica_quadtrac_CaseIH_Steiger_McMurdoStation
상당한 양은 지금도 막대한 비용을 들여 항공 화물로 들어오지만, 많은 양은 오래 걸리고 느린 길로 들어옵니다.
“물류 사슬의 가장 먼 끝”을 “빌어먹을 오지 한복판”의 한층 세련된 버전으로 채택하기로 했어요. 고맙습니다.
예를 들어 포인트 니모(Point Nemo)의 해저에 설치하려는 경우라면 아마 더 어려웠겠지만, 말 그대로의 남극점도 물건을 보내는 데 kg당 비용이 꽤나 어마어마한 곳인 건 분명해요. 게다가 24x7x365 운영을 계속 유지하려면 그 비용이 계속 들고요. (제가 알기로는 덩치 큰 발전기 한 무더기를 디젤 연료나 Jet-A로 거의 전적으로 돌린다고 하더라고요.)
비싸기도 하고 굳이 거기에 있을 필요도 없습니다. 그런데도 남극점에 있는 이유는 미국이 남극점에서 뭔가를 할 돈은 갖고 있기 때문입니다. 미국은 국제 관계상의 이유로 남극점에 계속 존재감을 유지하고 싶어 하고, 국제 조약에 맞추려면 거기서 과학을 해야 합니다.
그래서 미국/NSF는 “과학에 쓸 돈은 많은데, 반드시 남극점에서 해야 한다”는 식입니다. 할젠 같은, 엉뚱한 아이디어를 가진 사람들이 NSF를 찾아가서 이걸 하려면 어떻게 큰돈을 받을 수 있느냐고 묻습니다. NSF는 물리학 예산에는 그만한 돈이 없지만, 남극점에서 한다면 지원할 수 있다고 답하고요.
정말 흥미로운 배경이네요. 고마워요!
동의하기 어렵습니다. 바다라면 어디든 육지에서 크롤러 열차로 나르는 것보다 물류가 쉽습니다. 배로 실어 가서 바다에 던지면 되니까요. 석유 시추 설비도 늘 그런 식으로 설치하고요(물론 그쪽은 띄워서 가져가 가라앉히는 쪽에 가깝지만). 예를 들면 이런 겁니다. https://www.wired.com/2014/07/dockwise-vanguard-shipping
그렇긴 한데, 수심 4,000미터 해저에 대형 능동 전자장비를 설치해서 계속 가동하고, 거기서 데이터까지 빼 오는 비용을 상상해 보세요... 아이스큐브 검출기 사진에 나오는 시추 장비를 돌리는 비용은 그에 비하면 일부에 불과할 겁니다.
그것도 실제로 하고 있습니다. 예를 들어 지중해에서요.
https://en.wikipedia.org/wiki/KM3NeT
“배로 실어 가서 던진다”가 “크롤러 열차로 실어 가서 던진다”보다 왜 더 쉬운 건가요?
영하의 날씨에 계속 눈에 덮이는 길 위로 트럭을 모는 것보다 배로 나르는 게 더 쉬우니까요.
게다가 우리는 바퀴 달린 걸로 물건을 나른 기간보다 물로 나른 기간이 훨씬 길어요. 기술이 더 쉬우니까요. 물에 뜨는 나무에 올라타서 노를 저으면 되잖아요.
물론 더 어려운 곳도 있겠지만, 공급망이 가는 길에 남극점을 관통해서 지나가는 곳은 어디에도 없을 거예요. 없길 바라요.
정말 흥미로웠어요, 올려 주셔서 고마워요! 횡단에 쓰는 여러 종류의 썰매를 보여 주는 영상을 찾았어요 - https://www.youtube.com/watch?v=mjrQrKjotpA
그런데 이게 인류에게 어떻게 쓸모가 있죠? (상의 조건에 그게 들어 있잖아요.) 검출할 수 있다는 건 멋지지만... 그래서 이제 뭐 하죠?