중성미자, 어디까지 알고있니?

 2024년 12월 21일, 기초과학연구원 지하실험 연구단 공동 연구팀은 암흑물질의 새로운 후보로 주목받는 ‘비활성 중성미자’가 검출될 수 있는 새로운 영역을 제시했다고 밝혔다. 우리나라 연구진의 해당 연구는 비활성 중성미자의 검출 예상 영역을 좁히며 비활성 중성미자가 검출될 수 있는 영역을 새롭게 제안한 것이라는 평가를 받으며 비활성 중성미자에 대한 연구를 가속시켜 우주의 탄생과 암흑물질에 더욱 가깝게 하는 데에 기여 하였다. 여기까지 읽었다면 머릿속에 한가지 의문이 떠올랐을 것이다. “비활성 중성미자란 대체 무엇인가?”

 비활성 중성미자에 대해 알기 전에 중성미자에 대해 알 필요가 있다. 중성미자는 약력과 중력에만 반응하며 질량이 0에 가까울 정도로 작고 다른 입자들과 거의 상호작용을 하지 않는 입자이다. 그래서 지구를 포함한 다양한 천체를 통과할 때 거의 어떠한 상호작용도 일으키지 않으며 우주의 80%를 구성하고 있는 암흑물질과 암흑에너지를 탐색하는 데에 매우 중요한 요소이다. 중성미자는 “전자 중성미자”, “뮤온 중성미자”, “타우 중성미자”, 그리고 그 외 모든 중성미자를 이르는 말인 “제 4의 중성미자“로 구성이 된다. 지금까지 태양 중성미자와 대기 중성미자, 원자로 중성미자를 관측한 결과 뮤온에서 타우, 전자에서 뮤온, 타우에서 전자중성미자로의 변환이 모두 밝혀졌는데 아직까지 밝혀지지 않은 중성미자의 진동 변환과 관련한 이상 현상 중 하나인 '원자로 중성미자 이상 현상'*을 설명하기 위해 등장한 가상의 입자이다. 비활성 중성미자는 아주 약한 상호작용조차 하지 않으며 질량은 기존 중성미자보다 무거워 일반 중성미자와 차이가 있다. 현재 관측되는 은하의 구조나 밀도를 설명할 수 있는 강점이 있어 암흑물질의 구성요소의 유력한 후보로 주목받고 있다.

 실제로 중성미자는 관련한 노벨상 수상만 4회 배출할 정도로 현재 과학계에서 굉장히 중요한 주제이다. 1988년에는 중성미자 빔을 통해 자연계의 기본입자인 쿼크와 기본 힘인 약력을 밝혀낸 과학자들이 수상하였고, 1995년에는 중성미자의 존재를 처음 확인한 연구가, 2002년에는 고시바 마사토시 교수가 중성미자를 최초로 관측해서, 2015년에는 가지타 다카아키 소장이 전자, 뮤온, 타우 중성미자가 서로 자유롭게 형태를 바군다는 것을 밝혀내어 노벨상을 수상하였다. 우리나라 또한 세계 최대 규모의 지하 중성미자 시설인 “한국 중성미자 관측소‘를 계획하고 있고 지난 2024년 12월 21일 서울 관악구 서울대 캠퍼스에서 국내외 중성미자 연구자들이 모인 한국 중성미자 관측소 국제포럼 등이 열리는 등 중성미자와 관련된 연구에 상당한 중요도를 두고 있고 이를 지원하고 있음을 알 수 있다.

이렇듯 국내에서도, 국제적으로도 굉장한 중요도를 보이고 있는 우주를 밝혀낼 수 있을지도 모르는 중성미자에 대해 우리 또한 관심을 갖고 세계적 추세를 따라가기 위해서라도 해당 주제에 대해 조사해보는 등 탐구를 해보는 것이 어떨까?

(* ‘원자로 중성미자 이상 현상’에서 1980년대부터 원자로에서 반중성미자가 예측한 것보다 7% 가량 적게 측정된 이상 현상을 기존 세 종류의 중성미자 진동 변환만으로는 설명하기 어려워, 이를 설명하기 위해 등장하였다.)

김세령 기자