1983년, 일본의 '고시바 마사토시' 박사는 기후 현의 '가미오카' 광산 지하 1000m 지점에 '가미오칸데'라는 거대한 지하 천문대를 만들었다. '가미오칸데(KAMIOKANDE, カミオカンデ)'는 '중성미자(neutrino)'라는 소립자를 포착해 천체를 관측하는 세계 최초로 중성미자를 관측하는데 성공한 '중성미자 관측 장치'이다. 가미오칸데 이후에는 '슈퍼 가미오칸데(Super KAMIOKANDE)'가 건설되었고, 이어서 현재에는 '하이퍼 가미오칸데(Hype KAMIOKANDE)'가 건설되고 있다.
0. 목차
- 가미오칸데는 중성미자를 어떻게 검출하는가?
- 가미오칸데는 어떻게 최고감도의 중성미자 관측장치가 되었나?
- 중성미자를 포착하였다.
- 중성미자 천문학
1. 가미오칸데는 중성미자를 어떻게 검출하는가?
'중성미자(neutrino)'는 모든 물질을 매우 쉽게 관통하기 때문에 포착하기가 매우 어려운 소립자이다. 그래서 특정 중성미자 1개를 관측할 수는 없다. 하지만 '막대한 양의 중성미자'와 '막대한 양의 물질'이 있으면 극소수의 중성미자는 물질과 충돌한다. 중성미자는 전하를 띠지 않은 '약한 핵력'이라 불리는 특수한 힘을 통해서만 다른 소립자들의 영향을 받는다. '약한 핵력'은 10-16cm 정도의 좁은 범위에서만 작용하는 힘이다. 그래서 중성미자는 원래 '틈이 많은 물질' 속을 쉽게 관통할 수 있다.
가미오칸데는 지름 15.6m, 높이 16m의 원통형 물통을 가졌으며, 그 내부는 3000톤이나 되는 순수한 물로 가득 차 있다. '고시바 마사토시' 박사는 여기에 막대한 중성미자가 쏟아지면, 몇몇 중성미자는 물 분자 속의 전자 및 양성자와 반응(충돌)한다고 생각했다. 반응이 일어나면 '체렌코프광(Cherenkov radiation)'이라는 빛이 발생한다. 이 빛은 물통의 내벽에 장치된 광 검출기인 '광전자 증배관(photomultiplier tub)'으로 포착된다. 이 '체렌코프광'을 검출함으로써 중성미자를 간접적으로 관측할 수 있다.
2. 가미오칸데는 어떻게 최고감도의 중성미자 관측 장치가 되었나?
가미오칸데는 현재에는 아니지만 한동안, 최고감도의 중성미자 관측장치였다. 그러면 가미오칸데는 어떻게 최고감도의 중성미자 관측 장치로 거듭날 수 있었을까?
'가미오칸데'가 땅속 깊숙이 설치된 이유는 '우주선'이나 '방사선' 같은 불필요한 '잡음(Noise)'을 차단하기 위해서다. '우주선(cosmic ray)'이란 우주의 어디에서 날아와 쏟아지는 고속의 입자(주로 양성자)이다. 우주선이 대기권으로 들어오면, 공기 중의 분자와 충돌해 반응해, 여러 가지 입자를 만들어 낸다. 만약 가미오칸데를 지상에 설치하면, 우주선에 의해 발생한 입자를 잡음으로 받아들이게 된다. 그래서 '고시바 마사토시' 박사는 땅속 깊숙이 가미오칸데를 설치해, 두터운 암반으로 잡음을 차단했다.
물이나 공기에는 방사성 물질인 '라돈(Rn, 원자번호 86번)'이나 '우라늄(U, 원자번호 92번)'이 미량 포함되어 있다. 이들도 '방사선(Radioactive ray)'이라는 '잡음'을 방출해, 중성미자의 신호를 묻어 버린다. 그래서 고시바 박사팀은 방사성 물질이 들어오지 못하도록, 가미오칸데 안의 물을 철저하게 정화했다. 또 미약한 '체린코프광'을 검출하기 위해 물의 투명도를 높였다.
고시바 박사팀이 가미오칸데를 계획한 직후, 미국에서 몇 배의 규모를 가진 같은 종류의 관측 장치가 계획되었다. 고시바 박사는 평범하게 경쟁하면 진다고 생각했고, 가미오칸데의 검출 정밀도를 더 높이기 위해 지름 50cm의 '광전자 증배관(photomultiplier tub)'을 개발하기로 했다. 당시의 증배관은 최대 20cm 정도였으므로, 2배 이상의 크기이다. 고시바 박사는 '하마마쓰 TV(현재의 하마마스 포토닉스)'를 설득해 개발에 성공하였다.
현재에는 미국의 '아이스큐브(IceCube)'나 러시아의 '바이칼-GVD(Baikal-GVD)'처럼 '하이퍼 카미오칸데(Hype Kamiokande)'보다도 규모가 훨씬 큰 '중성미자 관측 장비(Neutrino Observatory)'가 등장하였다. 하지만 '가미오칸데(Kamiokande)'는 여전히 중요한 중성미자 관측 장치로 사용중이다.
3. 중성미자를 포착하였다.
3-1. 초신성이 폭발할 때 대량의 중성미자가 방출된다.
1984년부터 시작되 약 2년 간의 장치 개량은 1986년 12월에 끝났다. 그리고 고시바 박사팀은, 1987년 1월부터 태양에서 발생하는 중성미자를 포착하기 위해 '가미오칸데'를 관측하기 시작했다. 관측을 시작한 지 약 2개월 후인 2월 25일에 중요한 사건이 생겼다. '우리 은하(Milky way galaxy)'의 이웃에 있는 '대마젤란은하(Large Magellanic Cloud)' 안에서 초신성 '1987A'가 확인된 것이다. '초신성(supernova)'이란 항성이 생애의 마지막에 일으키는 대폭발이다. 초신성에서는 단시간에 대량의 '중성미자'가 방출된다.
그리고 가미오칸데는 초신성 '1987A'에서 나온 '중성미자(neutrino)'를 훌륭하게 포착했다. 이때 빛과 중성미자는 거의 동시에 지구에서 관측되었다. 즉, 빛과 중성미자는 거의 같은 속력으로 우주를 나아갔다고 생각된다. 이 포착은 사실 정말 기적적인 것이었다. 초신성 '1987A'의 출현은 육안으로 볼 수 있는 것으로는 1604년 이후 383년 만에 처음이었기 때문이다. 그리고 이때 고시바 박사는 도쿄 대학의 퇴임까지 1개월 남아 있었다. 고시바 박사는 정말 운이 좋았던 셈이다.
고시바 박사팀이 논문을 막 정리했을 때, 이탈리아의 연구팀이 초신성에서 온 중성미자를 관측했다고 먼저 발표했다. 하지만 이 팀이 관측했다는 시간대의 데이터를 확인해 봐도, 가미오칸데에서는 아무것도 관측되지 않았다. 그래서 고시바 박사는 논문을 섣불리 발표하면 어느 것이 진짜인지 논쟁이 벌어질 것이라고 생각했다. 그래서 완벽한 논문이 완성될 때까지 데이터를 공표하지 않았다. 한편, 이탈리아 팀의 관측은 나중에 잘못된 것으로 밝혀졌다. 고바시 박사 연구팀은 철저한 검토를 거쳐 '초신성에서 온 11개의 중성미자를 관측했다.'고 발표했다. 그리고 가미오칸데의 데이터는, 그 후의 분석을 통해 초신성의 구조를 규명하는 데 이용되었다. 고바시 박사는 1987년 초신성 중성미자의 관측에 성공한 업적 등으로 2002년에 노벨 물리학상을 받게 되었다.
4. 중성미자 천문학
고시바 박사의 연구는 그 후 가미오칸데의 후속인 '슈퍼 가미오칸데(Super Kamiokande)'와 '캄랜드(Kam-LAND)', 그리고 제자들에게 계승되었다. 고시바 박사가 문을 연 '중성미자 천문학' 분야는 앞으로 다양한 우주의 수수께끼를 규명해줄 것으로 기대된다. 예컨대, '탄생 직후의 우주의 모습' 등의 규명에 도움이 될 것으로 생각된다.
