[물리학] 2015년 – 중성미자 진동 발견

아서 B. 맥도널드(Arthur B. McDonald)

아서 B. 맥도널드

출생: 1943년 8월 29일, 캐나다, 시드니
수상 당시 소속: 캐나다, 킹스턴, 퀸즈 대학
 

생애

아서 맥도널드는 캐나다 노바스코샤 주 시드니 태생으로, 노바스코샤 주 댈하우지 대학에서 수학한 뒤 1969년 미국 패서디나의 캘리포니아 공과대학에서 박사학위를 받았다. 담당 지도교수는 노벨상 수상자 윌리엄 파울러(William Fowler)였다. 1982년까지 오타와 근처의 초크리버 원자력연구소에서 근무한 뒤, 프린스턴 대학 교수가 되었다. 1989년부터는 온타리오 주 킹스턴의 퀸즈대학에서 근무하고 있다. 결혼하여 슬하에 네 명의 자녀를 두고 있다.

업적

아서 맥도널드는 캐나다 노바스코샤 주 시드니 태생으로, 노바스코샤 주 댈하우지 대학에서 수학한 뒤 1969년 미국 패서디나의 캘리포니아 공과대학에서 박사학위를 받았다. 담당 지도교수는 노벨상 수상자 윌리엄 파울러(William Fowler)였다. 1982년까지 오타와 근처의 초크리버 원자력연구소에서 근무한 뒤, 프린스턴 대학 교수가 되었다. 1989년부터는 온타리오 주 킹스턴의 퀸즈대학에서 근무하고 있다. 결혼하여 슬하에 네 명의 자녀를 두고 있다.

 

가지타 다카아키(Takaaki Kajita)

가지타 다카아키

출생: 1959년 3월 9일, 일본, 히가시마쓰야마 시
수상 당시 소속: 일본, 가시와 시, 동경대학
 

생애

가지타 다카아키는 일본 사이타마 현 히가시마쓰야마 시 태생이고, 사이타마 대학에서 수학 후 1983년 동경대학에서 박사학위를 받았다. 담당 지도교수는 노벨상 수상자 고시바 마사토시(Masatoshi Koshiba)였다. 1988년부터 동경대학교 우주방사선연구소에서 근무하였고 2015년 연구소장 직위를 맡게 되었다. 또한 동경대학교 교수로 재직 중이다. 가지타 미치코(Michiko Kajita)와 혼인하였다.

업적

현대 물리학에서 사용하는 표준모형에는 중성미자라고 하는 매우 작아서 찾기 힘든 세 가지 입자 유형이 등장한다. 1998년, 일본 광산에 있는 실험 시설인 슈퍼카미오칸데(Super-Kamiokande) 검출기 안에서 가지타 다카아키는 우주선(cosmic rays)과 지구 대기의 반응에서 생성되는 중성미자들을 발견했다. 측정 결과, 중성미자가 다양한 유형으로 변하면서 발생하는 것으로 설명될 수 있는 편차가 나타났다. 즉, 중성미자는 분명 질량을 가지고 있었다. 그러나 표준모형은 질량이 부족한 중성미자를 토대로 하고 있기 때문에 수정되어야 한다.

<시상식 연설>

국왕 폐하, 왕실가족 여러분, 존경하는 노벨상 수상자 여러분, 그리고 신사숙녀 여러분

올해 물리학 노벨상은 우주 상에서 가장 불가사의한 입자인 중성미자 관련 연구에 수여되었습니다. 중성미자들은 마치 유령처럼 두꺼운 벽을 통과할 뿐 아니라, 전 지구를 직진해 관통할 수 있습니다. 그들은 전하를 가지고 있지 않으며, 거의 빛의 속도에 가깝게 움직이며 무게는 거의 나가지 않습니다. 우리는 오랫동안 중성미자들은 질량이 없다고 생각했습니다! 중성미자 연구는 상당한 도전과제가 아닐 수 없습니다!

올해의 수상자, 가지타 다카아키 교수와 아서 B. 맥도널드 교수는 대규모의 두 연구 그룹을 이끌면서 이 놀라운 입자들이 상상보다 훨씬 더 이해하기 힘들다는 것을 발견했습니다. 중성입자들은 마치 카멜레온처럼 공간을 떠돌면서 계속해서 다양한 정체로 변화합니다.

중성미자는 어디에나 존재합니다. 태양의 내부에서 계속해서 생성되고 있습니다. ‘우주입자의 비(cosmic rain)’가 우주로부터 대기와 충돌할 때, 지구 지각의 원자핵 붕괴로 인해, 심지어 우리의 근육에서도 만들어집니다.

매 초마다 수십 억 개의 중성미자가 우리의 신체를 통과하며, 이는 볼 수도 없고 알아차릴 수도 없습니다. 이 찾기 힘든 입자들은 거의 상호작용을 하지 않으며 포착하는 것 또한 거의 불가능합니다. 그러나 중성미자들의 이러한 유령과 같은 특성은 매우 유용합니다. 태양 중심에서 생성되는 빛은 지구에 도달할 수 없지만, 태양핵의 융합 과정에서 생겨난 중성미자는 태양을 통과해 지구에 도달합니다. 따라서 태양으로부터 발산되는 중성미자의 수를 측정함으로써 태양핵의 온도를 측정할 수 있습니다. 50년 전 최초로 태양 중성미자를 기록하기 위한 실험이 실시되었고 이후 많은 연구가 뒤이어 진행되었습니다. 얼마 되지 않아 놀랍게도 예상했던 중성미자의 수 중 최대 2/3가 사라졌음이 파악되었습니다. 중성미자들은 지구로 오는 과정에서 사라지는 듯했습니다!

이 놀라운 현상을 설명하기 위한 시도 중 한 이론은 중성미자가 그 여정에서 검출기에는 보이지 않는 새로운 유형의 중성미자로 변환된다는 것입니다. 세 가지 유형의 중성미자가 존재하나 태양은 그 중 단 한 가지만 생성하기 때문에, 따라서 실험도 그 한 가지 유형만 탐지하도록 설계되었습니다.

그러나 하나의 입자가 정말 자신의 정체를 바꿀 수 있을까요? 이 수수께끼는 두 개의 거대한 지하 검출기들을 통해 해결되었습니다.

슈퍼카미오칸데(Super-Kamiokande) 검출기는 일본 아연 광산에서 지표면을 기준으로 1,000 미터 아래 설치되었고, 스톡홀름의 모든 욕조를 채우고도 남을 5만 톤의 물이 들어 있었습니다! 이 검출기는 우주 복사가 지구 대기와 충돌할 때 생성되는 중성미자들을 기록했습니다. 정말 놀랍게도 과학자들은 대기보다 지하, 즉 지구의 반대쪽에서 훨씬 적은 중성미자들이 검출된다는 것을 발견했습니다. 대기에서 생성되는 중성미자 유형들도 도중에 사라지는 듯했습니다!

중성미자들은 아무런 방해를 받지 않고 지구를 통과합니다. 그래서 가지타 교수와 그의 팀은 지구 반대편의 생성 지점과 검출기 사이의 거리가 상당하기 때문에 중성미자들이 정체를 바꾸기에는 시간이 충분하다는 것을 깨달았습니다. 이 연구결과는 새천년이 도래되는 시점에 발표되었습니다.

같은 시기에 지구의 반대편에서는 태양핵에서 생성되는 중성미자들을 관찰하기 위한 거대한 검출기가 제작되었습니다. 지표면에서 2킬로미터 아래에 설치된 캐나다의 서드베리 중성미자 관측소는 이전 검출기들과 달리 세 가지 유형의 중성미자들을 모두 효과적으로 기록할 수 있었습니다. 맥도널드와 그의 연구팀은 태양으로부터 지구에 도달하는 중성미자들의 총 수가 예상치와 거의 비슷하지만, 태양핵에서 생성되는 중성미자들의 유형은 상당히 적다는 것을 증명할 수 있었습니다. 그 중성미자들은 사라지는 것이 아니라 분명 다른 형태의 중성미자로 변환하여 정체를 바꾸는 듯했습니다.

이 두 실험의 결과에 대해 하나로 설명할 수 있습니다. 양자론에 따르면 파동으로 우주를 떠다니는 입자들에 대해 설명할 수 있습니다. 세 가지 유형의 중성미자들의 질량이 저마다 다르다면, 각기 다양한 주파수를 가진 것으로 설명할 수 있습니다. 중성미자들이 우주를 떠다니는 동안 이 파동들간 상호작용이 중성미자 변형의 기반입니다. 이 현상은 중성미자 진동이라고 하며, 중성미자들이 질량이 있는 경우에만 발생합니다.

우주에는 수많은 중성미자들이 존재합니다. 오랜 기간 질량이 없는 것으로 믿어왔던 중성미자들이, 실제로는 무질량이 아니라는 발견은 우주의 구조를 이해하는데 상당히 중요하며 우주론에 중대한 영향을 미칠 것입니다.

맥도널드 교수님, 가지타 교수님,

중성미자가 질량을 가진다는 중성미자 진동을 발견해 주신 업적에 대해 노벨상을 수여합니다. 스웨덴 왕립과학 아카데미를 대표해서 축하의 말씀을 전하게 되어 영광이며 큰 기쁨입니다. 이제 국왕께서 노벨상을 수여하시겠습니다.