프랜시스 할젠 미국 매디슨 위스콘신대 교수. 위스콘신대 홈페이지 캡쳐
남극의 얼음을 활용해 태양계 바깥에서 온 고에너지의 ‘중성미자(Neutrino)’를 처음으로 포착한 프랜시스 할젠 미국 매디슨 위스콘신대 교수(82)가 올해 노벨 물리학상을 받았다. 노벨 물리학상 단독 수상자가 나온 것은 1992년 조르주 샤르파크 유럽 원자력연구소(CERN) 교수 이후 34년 만이다.
스웨덴 왕립과학원은 6일(현지 시간) 벨기에 출신 미국 물리학자인 할젠 교수를 노벨 물리학상 단독 수상자로 선정했다. 노벨위원회는 “(남극의) 중성미자 관측소 ‘아이스큐브(IceCube)’ 건설에 결정적으로 기여하고 천체에서 비롯된 고에너지 중성미자를 발견한 공로”를 할젠 교수의 수상 사유로 꼽았다.
AP 뉴시스
중성미자는 우주 곳곳에 존재하는 아주 작은 입자다. 전하가 없고 질량이 매우 작다. 태양에서도 끊임없이 만들어져 매초 수백억 개가 손톱만 한 면적을 지나가지만 지구, 심지어 우리 몸을 통과하면서도 다른 물질과 좀처럼 반응하지 않는다. 존재를 알아차리기 어렵다는 점에서 ‘유령입자(Ghost particle)’라고도 불린다.
하지만 중성미자는 원자핵과 충돌하면 드물게 푸른 빛이 생긴다. 중성미자가 원자핵과 부딪히면 전하를 가진 다른 입자가 생기고, 이 입자가 이동하면서 푸른 빛을 내는 것이다. 이 빛을 감지하면 중성미자가 온 방향과 에너지를 추정할 수 있다. 할젠 교수는 남극 대륙의 두꺼운 얼음에서 중성미자 탐지의 실마리를 얻었다. 남극의 깊은 빙하 속은 외부의 빛과 각종 방해 신호가 적고 얼음이 투명해 중성미자가 충돌할 때 발생하는 희미한 빛을 관측하기 적합하다.
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할젠 교수는 1988년 처음으로 남극 얼음을 거대한 중성미자 검출기로 활용하자는 구상을 제시했다. 1990년대 초 연구진은 얼음 속에 센서를 설치하는 예비 실험에 나섰고, 2004년 남극 아문센-스콧 남극점 기지 인근에서 1㎦ 규모로 확대한 중성미자 관측소 아이스큐브 건설이 시작됐다. 연구진은 남극 빙하 1450~2450m 깊이에 구멍을 뚫고 광센서를 매다는 작업을 7년 동안 진행해 2010년 12월 마지막 센서 설치를 마쳤다. 2011년부터 완성된 관측소가 본격 가동됐다. 할젠 교수는 지금도 아이스큐브의 연구 책임자다.
할젠 교수의 발견이 이전 연구에 비해 새로운 것은, 아주 높은 에너지의 중성미자까지 관측해냈다는 점이다. 기존 중성미자 검출 장비들은 태양에서 나오는 낮은 에너지의 중성미자만 관측할 수 있었다. 남극의 두꺼운 얼음을 활용해 우주에서 오는 고에너지 중성미자까지 잡아낼 수 있게 된 것이다.
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고에너지의 중성미자를 관측할 수 있게 되면서 먼 우주의 근원을 탐색할 수 있는 길이 열렸다. 전하를 가진 우주 입자는 자기장의 영향을 받아 이동 방향이 휘어진다. 하지만 전하가 없고, 따라서 물질과 상호작용이 거의 없는 중성미자는 충돌 없이 곧장 날아온다. 이를 거꾸로 따라가면 중성미자가 출발한 천체 내부에서 무슨 일이 일어나는지에 대한 단서를 얻을 수 있다.
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할젠 교수가 이끈 아이스큐브 국제 공동 연구진은 2013년 국제학술지 ‘사이언스’에 고에너지 중성미자 관측 28건을 발표했다. 이는 태양계 밖에서 온 중성미자의 존재를 뒷받침하는 증거가 됐다. 양운기 서울대 물리천문학부 교수는 “중성미자들을 다룬 기존 연구들은 입자 자체의 성질을 연구하는 데 집중했다”며 “할젠 교수의 연구는 연구 스펙트럼을 우주의 근원을 다루는 새로운 영역의 천문학과 천체물리학 분야로 확장하는 계기가 됐다”고 말했다. 마크 피어스 노벨 물리학상위원장 역시 “할젠 교수는 국제 연구진과 기술자들을 이끌고 뛰어난 관측 장치를 만들었다”며 “끈기와 과학적 비전이 ‘새로운 종류의 천문학’을 개척한 것”이라고 평가했다.
올해 노벨 물리학상 상금은 1200만 스웨덴 크로나(16억1000만 원)다. 할젠 교수는 수상자 발표 기자회견장에서 전화를 통해 “(노벨상 수상에) 크게 놀랐고 전혀 예상하지 못했다”며 “이번 수상이 대규모 공동 연구진의 공로를 알리는 계기가 되길 바란다”고 말했다.
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