"중성미자 질량 있다" 증명한 日·加 교수들에 노벨 물리학상 영예

2015 노벨 물리학상 수상자의 모습을 그린 일러스트. (왼쪽부터)타카키 카지타 日 교수, 아서 B. 맥도날드 캐나다 교수/사진=노벨 위원회 홈페이지 캡쳐

올해 노벨 물리학상은 중성미자도 질량이 있다는 사실을 증명한 일본인, 캐나다인 두 학자에게 돌아갔다. 2013년 힉스 입자 관련 연구가 노벨상을 받아든 후 2년 만에 다시 입자물리학 분야에 노벨상이 돌아갔다.

현지시간 6일 스웨덴 노벨위원회는 타카키 카지타 일본 도쿄대학교 교수(56)와 아서 B. 맥도날드 캐나다 퀸즈 대학교 교수(72)를 선정했다고 발표했다. 두 교수는 중성미자 진동을 발견하는 실험에 기여했다고 평가받았다. 중성미자의 진동은 이제까지 표준모형에서 중성미자 질량은 0으로 가정했던 것과 달리 질량이 있다는 점을 증명한다.


중성미자(neutrino)는 핵반응과 베타붕괴로 양자와 전자로 파괴될 때 방출된다. 중성미자는 전자, 뮤온, 타우 세 가지 유형으로 분류된다.

우주 탄생 과정을 보면 빅뱅으로 인해 입자가 만들어지고, 그것이 원자핵을 만드는 방식으로 진행된다. 이 과정에서 중성미자의 질량 유무는 우주 전체를 바라보는 핵심적인 시각을 달라지게 할 수 있다. 중성미자가 질량이 있다면 내부 물질의 변동이 생기면서 형태가 달라질 수 있기 때문이다.

이번에 수상한 타카키 교수는 일본 카미오카산에 있는 중성미자 검출 장치 '슈퍼 카미오칸데'에서 연구를 진행했다. 카미오칸데는 지난 2000년에도 중성미자가 빛보다 빨리 지구에 도착한다는 점을 발견해 고시바 마사토시 교수에게 노벨 물리학상을 쥐어 준 장치다. 당시 연구는 중성미자는 빛과 달리 수소를 만나도 반응하지 않는다는 점을 증명했다.


타카키 교수 등이 발표한 중성미자가 질량이 있다는 점은 중성미자가 태양에서 발생해 지구로 올 경우 일부가 사라지는 이유를 설명해준다. 질량이 있어서 내부 물질이 움직일 수 있고, 만약 변동이 발생하면 형태가 바뀌어 사라지게 되는 것.

입자물리학계에서는 중성미자는 1950년대 그 첫 발견부터도 노벨물리학상 감이었다. 올해까지 중성미자 관련 연구로 노벨물리학상을 받은 경우는 네 번째다.

박인규 서울시립대 물리학과 교수는 "카미오칸데에서는 물을 사용해 중성미자 관련 시험을 하는 반면 맥도날드 교수가 이끄는 연구진이 실험한 캐나다 서든베리 중성미자 관측소에서는 중수를 사용하는 점이 특징"이라고 설명했다. 중수를 사용하면 전기 유무에 따라 달라지는 반응까지 모두 파악할 수 있어, 물을 사용할 때 보다 다양한 결과를 볼 수 있다.

향후 입자물리학에서는 중성미자가 얼마의 비율로 섞여 있는지를 정밀하게 측정하는 연구가 집중적으로 진행될 것으로 예상했다. 한국인으로서는 정창기 미국 스토니브룩대 교수와 김수봉 서울대학교 교수가 중성미자 연구분야에 연구를 주도하고 있는 것으로 알려졌다.