위스콘신-매디슨대학교의 물리학자인 프랜시스 할젠은 «IceCube 중성미자 관측소에 대한 결정적 기여와 천체 기원의 고에너지 중성미자 발견»으로 2026년 노벨 물리학상을 수상했다. 할젠은 남극에서 관측소의 개발과 건설을 이끈 주요 인물 중 한 명으로, 이를 통해 우주의 먼 지역에서 지구에 도달하는 희귀한 입자를 포착할 수 있게 했다.
할젠은 스톡홀름에서 열린 기자회견에서 수상에 놀랐다고 말하며, 이번 성과가 개인의 업적이 아니라 광범위한 협력의 결과라고 강조했다. IceCube 프로젝트에는 수백 명의 과학자와 엔지니어, 협력자들이 참여하고 있다. 입자물리학자인 다니엘레 누르시니는 할젠을 중성미자 천문학이라는 새로운 분야를 연 실험의 원동력이자 과학적 비전을 제시한 인물이라고 평가했다.
중성미자 관측이 어려운 이유
중성미자는 물질과 거의 상호작용하지 않고 전기적 전하를 띠지 않으며 질량도 매우 작다. 따라서 막대한 수의 중성미자가 눈에 띄는 흔적을 남기지 않은 채 끊임없이 우리 몸을 통과한다. 이러한 특성 때문에 중성미자의 관측은 어렵지만, 동시에 천문학적으로 큰 가치를 지닌다. 중성미자는 이동하는 동안 거의 변하지 않고 먼 우주적 거리를 이동할 수 있어, 그 원천에 관한 정보를 전달하기 때문이다.
빛과 달리 중성미자는 매우 밀도가 높거나 격렬한 환경에서 빠져나올 수 있다. 이로 인해 중성미자는 전자기 관측 및 중력파 관측을 보완하며, 이는 다중 메신저 천문학으로 알려져 있다. 이번 성과는 중성미자 연구의 수십 년 역사에 이은 것으로, 중성미자의 세 가지 유형을 발견하고 한 유형에서 다른 유형으로 변환될 수 있음을 입증한 연구도 포함한다.
IceCube는 어떻게 작동하는가?
할젠은 1988년 천연 얼음을 검출 매질로 활용하는 남극 관측소 건설을 제안했다. AMANDA 관측소 실험 이후, 연구진은 뜨거운 물을 사용하는 드릴로 수 킬로미터 깊이의 구멍을 만들고, 광학 센서가 달린 케이블을 그 안에 설치했다.
IceCube는 약 1세제곱킬로미터의 얼음을 덮고 있으며, 86개의 케이블에 5,160개의 광학 센서가 분산 배치되어 있다. 중성미자가 얼음 속 원자의 원자핵과 충돌하면 하전 입자가 생성되고, 이 입자들은 자외선 및 청색 광자를 방출한다. 센서는 이를 포착해 사건의 궤적과 에너지를 결정한다. 또한 관측소는 지구 자체를 차폐막으로 활용한다. 일부 중성미자는 검출기에 도달하기 전에 지구를 통과하며, 이는 중성미자를 배경원에서 식별하는 데 도움을 준다.
관측소는 무엇을 밝혀냈는가?
IceCube는 2011년 가동을 시작했으며, 2년 이내에 대기권 밖에서 온 중성미자의 증거를 발견했다. 2014년에는 전례 없는 에너지를 지닌 중성미자 세 개를 관측했으며, 이들에는 Bert, Ernie, Big Bird라는 이름이 붙었다. 2017년 연구진은 고에너지 중성미자를 먼 은하인 TXS 0506+056과 연결하는 데 성공했다. 한편 2022년에 발표된 연구는 79개의 중성미자가 포함된 두드러진 증가를 근거로 은하 Messier 77이 이러한 중성미자의 강력한 원천일 수 있다고 제시했다.
2월에는 관측소의 주요 업그레이드가 완료되어 배열의 중하부에 센서 스트링 다섯 개가 새로 추가되었으며, 600개의 센서와 추가 교정 장비도 함께 설치되었다. 또한 미국 국립과학재단은 향후 5년 동안 관측소의 운영을 유지하기 위해 5,300만 달러를 제공하기로 약속했다.
실제로 무엇이 달라지는가?
이번 수상이 지금까지 표준 모형을 넘어서는 새로운 물리학의 발견을 의미하는 것은 아니다. 할젠은 현재의 결과가 여전히 알려진 중성미자 물리학과 일치한다고 말했다. 그러나 IceCube는 극지방의 얼음을 킬로미터 규모의 망원경으로 바꿀 수 있음을 입증했고, «우주 가속기»와 우주선의 원천을 관측할 실용적인 수단을 제공했다. 이러한 입자의 원천을 규명하고 가속 메커니즘을 이해하는 문제는 여전히 미해결 상태이며, 관측소의 지속적인 업그레이드가 이에 기여할 수 있다. 다만 관측소는 아직 이 문제들에 대한 최종적인 답을 입증하지 못했다.