- 노벨 물리학상은 아이스큐브(IceCube)에서의 역할을 인정받아 프랜시스 할젠에게 수여되었습니다.
- 아이스큐브는 우주에서 생성되는 고에너지 중성미자를 탐지합니다.
- 중성미자는 전하를 띠지 않으며 물질과 거의 상호작용하지 않습니다.
- IceCube-Gen2는 얼음의 부피를 확장하여 더 많은 얼음 공급원을 찾아낼 것입니다.
스웨덴 왕립 과학 아카데미는 아이스큐브 중성미자 관측소 에서의 핵심적인 역할과 우주에서 오는 고에너지 중성미자를 발견한 공로를 인정하여 프랜시스 할젠에게 노벨 물리학상을 수여했습니다 . 벨기에 출신으로 위스콘신-매디슨 대학교에 소속된 할젠 연구원은 빛에만 집중하던 기존 방식에서 벗어나 거의 흔적을 남기지 않는 입자를 관측하는 새로운 우주 연구법을 개척했습니다.
중성미자는 전하가 없고 질량이 극히 작은 입자입니다. 물질과의 상호작용이 너무 약해서 매초 수십억 개의 중성미자가 우리 몸을 통과하지만 우리는 아무것도 느끼지 못합니다. 태양에서 방출되는 약 65.000억 개의 중성미자가 우리 새끼손톱을 통과하는 것으로 추정됩니다. 이처럼 중성미자를 탐지하기 어렵다는 점 때문에 중성미자는 우주 저 멀리에서 온 메시지를 전달하는 잠재적인 메신저 로 여겨집니다.
남극 빙하 아래에 있는 자연 망원경
1988년 에 할젠이 제안한 이 아이디어는 남극의 깊은 얼음을 거대한 검출기로 활용하는 것이었습니다. 중성미자가 원자핵과 충돌하면 희미한 섬광을 내는 대전 입자가 생성됩니다. 센서는 이 빛을 기록하고 그 기원을 재구성할 수 있습니다. 남극의 얼음은 투명하고 어둡고 안정적이며 간섭이 적다는 장점 외에도 지진이 발생하지 않는 지역에 위치해 있다는 점에서 유용합니다.
그 결과 탄생한 것이 1세제곱킬로미터의 얼음 으로 이루어진 아이스큐브(IceCube)입니다 . 아이스큐브에는 86개의 케이블을 따라 5.160개의 광학 센서가 설치되어 있으며, 이 센서들은 지하 1.450미터에서 2.450미터 깊이에 위치해 있습니다. 이 프로젝트는 2011년에 완료되었으며, 얼음으로 덮인 환경에서도 관측이 가능하다는 것을 입증했던 선구적인 관측소인 아만다(AMANDA)의 뒤를 이었습니다. 노벨 물리학상 위원회 위원장인 마크 피어스 는 할젠이 국제적인 연구팀을 이끌었고, 그의 끈질긴 노력 덕분에 천문학에 새로운 길이 열렸다고 강조했습니다.
중성미자를 이용한 관측이 왜 중요한가?
가장 에너지가 높은 우주선은 대부분 전하를 띤 양성자이기 때문에 자기장에 의해 이동 경로가 휘어집니다. 따라서 지구에 도달할 때쯤이면 그 방향만으로는 정확한 출발지를 알 수 없습니다. 반면 중성미자는 자기장의 영향을 받지 않고 먼지, 가스, 복사선을 거의 에너지 손실 없이 통과합니다. 이러한 특성 덕분에 중성미자는 항성 폭발이나 활동적인 은하처럼 입자 가속이 활발한 곳을 정확하게 찾아낼 수 있습니다.
2013년 , 아이스큐브(IceCube) 협력단은 고에너지 우주 중성미자의 존재를 최초로 입증했습니다. 추가 데이터를 통해 과학자들은 일부 중성미자가 태양계 밖에서 온 것임을 확인했습니다. 이 발견은 새로운 연구의 장을 열었습니다. 바로 중성미자 천문학입니다. 이를 통해 빛이나 다른 복사선으로는 관측할 수 없는 현상을 연구할 수 있게 되었습니다. 중성미자 천문학은 기존의 망원경을 대체하는 것은 아니지만 , 이전에는 존재하지 않았던 새로운 정보원을 제공합니다.
연구 대상이 된 가능한 소스 중 하나는 NGC 1068 , 즉 M77로 알려진 활동적인 은하입니다. 아이스큐브는 이 은하 방향에서 여러 개의 중성미자를 탐지했습니다. 하지만 아직 이 은하가 확실한 소스라고 단정하기에는 증거가 부족합니다. 또한 우리 은하 에서도 고에너지 중성미자가 관측되었는데 , 이는 우주 방사선이 별 사이의 가스와 상호작용한다는 것을 시사합니다.
다음 단계: IceCube-Gen2
연구는 계속 진행 중이며, 다음 단계로 계획된 것은 아이스큐브 2세대(IceCube-Gen2) 확장 프로젝트입니다. 이 프로젝트는 계측 장비가 탑재된 얼음의 부피를 크게 늘릴 것입니다. 더 많은 센서와 더 넓은 관측 영역을 통해 연구팀은 더 많은 중성미자를 탐지하고 그 발생원을 더욱 정밀하게 파악할 수 있기를 기대합니다. 궁극적인 목표는 우주에서 가장 에너지가 높은 입자들이 어디에서 가속되는지 , 그리고 가장 극단적인 우주 물체에서는 어떤 일이 일어나는지와 같은 미해결 질문에 답하는 것입니다.
스웨덴 한림원의 이번 결정으로 프랜시스 할젠은 아직 발전 단계에 있는 학문의 중심에 서게 되었습니다. 그의 이력은 유럽과 미국을 연결합니다. 벨기에 티넨 에서 태어난 그는 루벤 캔자스 대학교(KU Leuven)에서 박사 학위를 받았고, 경력의 상당 부분을 위스콘신-매디슨 대학교에서 보냈습니다. 남극 빙하 아래에 있는 아이스큐브 관측소는 중성미자를 이용해 우주를 새로운 방식으로 탐사 할 수 있음을 입증했습니다 . 관측소의 향후 확장을 통해 중성미자 천문학은 현재 기존 망원경으로는 관측할 수 없는 현상들을 밝혀내는 것을 목표로 하고 있습니다.