영광에 초고성능 설비 구축…데이터 수집에 3년

국내 연구진이 세계에서 가장 성능이 뛰어난 중성미자 검출 설비를 갖추고 우주생성의 비밀을 풀기 위한 실험에 본격 착수한다.



교육과학기술부는 영광 원전 부근에 들어선 국내 최초의 중성미자 검출설비(RENO)가 지난 2006년 3월 착공 이후 약 5년 만인 올 2월 완공돼 오는 7월부터 중성미자 검출 실험에 들어갈 예정이라고 3일 밝혔다.

이 연구 프로젝트에는 서울대 김수봉 교수(물리학부) 연구팀을 비롯한 국내 10여개 대학 연구진이 참여하고 있다.

중성미자(中性微子)는 양성자나 전자보다도 훨씬 더 작은 소립자의 일종. 전기전하가 없고 질량이 워낙 작은 데다 빛의 속도로 움직이며 다른 물질과 반응하지 않아 ‘유령입자’로 불리기도 한다.

현재까지 밝혀진 중성미자의 종류는 전자·뮤온·타우중성미자 등 세 가지다.

특히 이들 세 종류의 중성미자는 서로 자유롭게 형태를 바꾼다. 전자중성미자는 뮤온중성미자로, 뮤온중성미자는 타우중성미자로, 타우중성미자가 전자중성미자로 탈바꿈하는 것이다.

그동안 과학자들의 연구 결과 뮤온-타우, 타우-전자중성미자 간 변환 비율, 즉 ‘진동변환상수’는 각각 약 100%, 80%로 밝혀졌다. 그러나 아직까지 전자중성미자가 뮤온중성미자로 바뀌는 비율은 세계 어느 연구진도 측정하지 못한 상태다.

프로젝트에 참여하고 있는 국내 연구진은 영광 중성미자 검출설비에서 이 전자-뮤온중성미자 변환상수가 확인될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

영광 중성미자 검출설비의 핵심은 원자로에서 가까운 위치(290ｍ)와 먼 위치(1.4㎞)에 설치된 두 대의 검출기. 원자로에서 뿜어져 나오는 중성미자들을 각 검출기에서 측정하면, 입자별 검출 결과에 차이가 나타나고, 이를 통해 전자-뮤온중성미자가 서로 얼마나 바뀌었는지 알아낼 수 있다는 설명이다.

교과부과 연구진 등에 따르면 영광 검출설비는 최소 2%의 변환 비율까지 포착할 수 있다. 지금까지 이뤄진 해외 각국 실험의 경우 측정 한계 비율이 15% 수준이었다. 전자-뮤온중성미자의 변환 비율이 15% 밑일 경우, 아예 검출 장비의 성능(민감도) 문제 때문에 확인하기 어려웠다는 얘기다.

그러나 영광 중성미자 검출설비의 경우 민감도를 10배 정도 높였기 때문에, 전자-뮤온중성미자 변환 비율이 2~15% 사이라면 충분히 잡아낼 수 있다. 측정 결과를 통해 변환상수를 구하려면 7월 본격 실험이 시작된 뒤 약 3년 동안 데이터를 모아야 한다.

만약 영광 중성미자 검출설비에서 이 변환상수를 밝혀내 중성미자의 성질과 기본입자의 원리를 규명할 경우, 이는 교과서를 새로 써야 할 만큼 획기적 발견이 될 것으로 물리학계는 기대하고 있다.

이른바 ‘빅뱅’(Big Bang;우주를 탄생시킨 대폭발) 직후 우주 공간을 채웠던 소립자의 성질을 역추적할 수 있고, 우주의 물질과 반물질의 비대칭성 연구, 향후 중성미자 실험 프로그램의 방향 등을 결정하는 데도 결정적으로 기여할 것이라는 설명이다.

실험이 성공적일 경우, 노벨상도 바라볼 수 있다는 것이 전문가들의 예상이다.

1956년 중성미자를 처음 발견한 미국 학자 프레데릭 라이너스가 1995년 노벨상을 받았고 1988년과 1968년, 1987년 수상자도 모두 뮤온중성미자 발견과 우주중성미자 관측 등 중성미자 관련 연구 성과로 노벨상을 거머쥐었다.

1998년 일본 연구진도 실험장치 ‘수퍼카미오칸데’를 통해 처음 세 종류의 중성미자 간 변환을 발견, 세계 물리학계에 큰 파장을 일으키며 노벨상 후보로 거론된 바 있다.

김수봉 교수는 “프랑스와 중국에서도 중성미자 검출 프로젝트가 우리보다 3~4년 앞서 시작됐지만, 원전이 세 개 이상 모여 있고 터널에 알맞은 가파른 산이 있는 영광 원전의 장점 덕분에 실제 실험은 우리가 가장 먼저 할 수 있게 됐다”고 강조했다.

아울러 김 교수는 “변환상수는 중성미자의 질량 등 성질을 밝히는 데 꼭 필요한 것으로, 입증될 경우 입자물리학계의 주류가 기존 ‘표준이론’에서 중성미자의 질량 존재를 예상한 ‘대통일이론’으로 바뀌는 계기가 될 수 있다”고 실험의 의의를 설명했다.

연합뉴스