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Just Because..../Science·Math

2015년 노벨 물리학상 수상자 맥도날드/카지타박사(Arthur McDonald/Takaaki Kajita)

by Helen of Troy 2015. 10. 7.

 

 

캐나다 물리학자 아더 맥도날드 박사

 

 

 

2015년 노벨 물리학상은 아주 가볍고, 찾기 힘든 sub-원자 입자인 뉴트리노(Neutrinos)를 발견한

캐나다 출신 아더 맥도날드 박사와 일본 출신의 타카키 카지타 박사에게 수여되었다.

'뉴트리노' 라는 단어는 이탈리아어로 '작은 중성자 -little neutral one' 에서 나왔듯이,

뉴트리노 입자는 중성이며, 오랫동안 질량을 지니지 않는다고 알려졌는데,

캐나다 퀸스 대학에 몸을 담고 있는 맥도날드 박사와 일본 동경대학의 카지타 박사가

뉴트니로 입자도 질량을 보유한다는 것을 밝혀 낸 업적으로 이번에 노벨 물리학상 수상자가 되었다.

 

이런 주요한 뉴트리노의 특성을 발견하는데에

하나는  캐나다 온타리오 주의 서드버리(Sudbury)에 위치한 니켈 광산 아래 아주 깊은 지하 2 km에

또 하나는 일본 기후 현에 있는 카미오카 산 지하 1km 에 설치된 두 개의 고성능 Detectors 가

있어서 가능했다.

 

노벨상 위원회는 뉴트리노의 발견은 모든 물질의 근본적인 해석을 바꾸고,

더 나아가는 우리가 알고 있는 우주의 관점을 달리하게 할 수 있는데에 큰 공헌을 했다고 발표했다.

뉴트리노는 태양빛을 전달하는 포톤(photon) 다음으로

우주에서 제일 흔하고,  많이 분포된 입자로서, 전혀 느끼거나 보이지 않지만,

매일 우리 주위에서 매초마다 수백조 이상의 셀 수 없이 많은 입자들이

스쳐 지나가기도 하고 관통해서 움직인다.

대부분의 뉴트리노 입자들은 태초에 발생한 'Big Bang' 때에 생겼고,

나머지는 지구 내부에 있는 방사물질들이  자연붕괴(decay) 되거나,

혹은 별들이 폭발하거나, 태양을 에너지를 만드는 과정처럼 핵작용으로 지속적으로 만들어지기도 한다. 

 

뉴트리노의 세가지 형태인

타우, 엘렉트론, 뮤온 뉴트리노 입자

 

 

뉴트리오의 존재는 1930년대에 처음으로 가정되었다가,

1956년 되서야 미국의 물리학자들이 전자(electron), 타우(tau), 뮤온(muon) 뉴트리노

세가지 형태의  뉴트리노의 흔적을 발견했고

그 후로 지속적으로 많은 물리학자들이 찾기 힘든 뉴트리노를 찾기 위해서 노력을 해 왔다.

 

 

 

 

맥도날드와 카지타의 연구는 태양에서 발생된 뉴트리노가 지구에 도착할 이론적인 숫자에서

1/3 만  지구에 도달하지 하는 현상을 이해할 수 없는 기이한 수수께기도 풀었다.

카지타 연구팀은 1998년에 우주광선(cosmic rays) 가 지구의 대기권에 진입하면서

발생된 충격으로 뉴트리노 입자들이 변형된다는 것을 일본 카미오카 산 아래에 있는

'수퍼-카미오칸데' 뉴트리노 검파기로 탐지했고,

한편, 맥도날드 연구팀은 2001년에 태양에서 생성된 뉴트리노를

 

캐나다 서드버리 뉴트리노 천문대에서 발견된 뉴트리노도 

넓은 우주나 지구의 대기권에 진입하면서 입자의 형태와 특성이 세자지 형태를 오가면서

필요에 따라서 변형된다는 것을 발견했다.

 

 

이렇게 뉴트리노가 변형될 수 있다는 것은 quantum 물리학적으로 분석하면

뉴트리노 입자는 질량이 있다는 것을 강력하게 입증해 주었고,

더 나아가서 우주가 앞으로 어떻게 변할지,

태양을 비롯해서 별들이 어떻게 에너지를 발산하는지,

수퍼노바 폭발을 어떻게 발생하는지까지 이해하는 데 큰 도움을 주는 대단한 발견이다.

 

과학자들은 뉴트리노의 질량이 원자 속에 있는 아주 가벼운 전자 입자보다

100만배 이상 가볍다다는 것을 알지만,

뉴트리노 입자의 숫자가 우주 전역에 걸쳐서 아주 많기에

뉴트리노의 전체 무게는 우주에서 보이는 모든 별의 무게와 맞먹는다고 예측하고 있다.

 

 

일본 물리학자 카지타 박사

 

 

카지타 박사는 1959년에 일본의 히가시마쯔야먀에서 태어났고,

동경대학에서 박사학위를 받은 후에 '카미오칸데 연구' 에 참여해서

양자 입자가 분해되는가에 대해서 연구로 카미오칸데와 인연을 맺었다.

그러다가 그의 양자실험에서 발생한 소음의 원인인 뉴트리노에 대해서 관심을 갖기 시작했고,

1996년에 뮤온 뉴트리노 입자를 분석하기 위해서 오래된 주석 아연광산 자리에 세워진

수퍼 카미오칸데 탐지기에서 일을 하기 시작했다.

 

 

일본의 수퍼 카미오칸데

 

이론적으로 지구는 뉴트리노 입자들이 꿰뚫고 지나갈 수 있기에 깊은 땅 속까지도

지구 밖과 같은 숫자의 뉴트리노가 존재해야 하지만,

실제로 지구 외부에 더 많은 입자가 탐지된다는 것은

뉴트리노가 지구 내부를 통과하면서 입자의 주체가 변형되면서 탐지기가 인지를 못한다고 추측했다.

 

 

 

캐나다 서드버리 천문대

 

한편 맥도날드 박사는 캐나다 동부에 있는 노바스코시아 주 시드니에서 1943년에 태어났고,

미국 칼텍 공대에서 박사학위를 받았다.

맥도날드 박사의 탐지기 역시 깊은 지하에 설치되어서, 다른 뉴트리노 입자들 가운데서

전자 뉴트리노 입자를  구분할 수 있었는데, 그의 연구팀은 예상대로 전자 뉴트리노 입자들의 1/3반 탐지했다.

하지만 나머지 2/3의 전자 뉴트리노 입자들은 태양에서 지구까지 오는 8분 동안

뮤온 뉴트리노와 타우 뉴트리노로 변화된다는 것을 2002년에 발표했다.

 

아울러 맥도날드 연구팀은 태양에서 날라 온 뉴트리노들의 특성을 자세하게 분석 할 수 있었고,

앞으로 이 발견은 핵의 융합 작용 시설을 개발하는데 큰 기여를 할 수 있다고 보고 있다.

 

 

뉴트리노 입자가 세가지 형태로 변형된다는 것을 발견해서

태양이 앞으로도 계속 오랫동안 지구를 따스하게 지켜 줄 것을 확인했다.

Photograph: Nasa/SDO/REX/Rex

 

 

 지구에서 사는 모든 생물들은 태양열과 태양빛이 있기에 생존이 가능하다.

뉴트리노 입자의 존재는 알았지만 그의 특성도 잘 알려지지 않고, 무게가 없다는 것이 사실이라면

지구의 에너지의 근본인 태양이 서서히 죽어갈 수 있고, 그렇게 되면

지구상의 모든 생물 역시 죽어야 하는 처지에 놓이게 된다.

하지만, 올해 노벨 물리학상 수상자들이 이런 우려는 하지 않아도 된다는 희소식을 안겨 준 셈이다.