세계 최대의 중성미자 검출기인 아이스큐브(IceCube)가 지금까지 관측된 적이 없는 엄청난 에너지를 가진 2개의 중성미자를 발견한 데 이어 출처를 알 수 없는 26개의 중성미자 신호를 추가로 포착해 화제를 모으고 있다. 이 같은 사실은 지난 15일 미국 위스콘신주 매디슨에서 개최된 입자천체물리학 심포지엄에서 아이스큐브의 주 연구진인 위스콘신대학 연구팀에 의해 밝혀졌다.
연구팀은 이 연구결과가 극히 선행적인 결과일 뿐이라고 전제하면서, 이 미지의 중성미자들은 어떤 알려지지 않은 천체물리학의 에너지 순환과정을 통해 지구에 떨어진 것이 아닐까 추측된다고 발표했다. 연구팀이 이처럼 추측하는 이유는 이 중성미자들의 근원을 지구 환경에서 발생할 수 있는 조건 내에서는 찾을 수 없기 때문인 것으로 알려졌다.
이에 앞서 지난 4월 아이스큐브 연구진은 현재까지 관찰된 것 중에서 가장 강한 에너지를 지닌 중성미자 2개를 검출했다고 밝힌 바 있다. 그 중성미자들은 이전의 연구에서보다 10배나 큰 에너지에 의해 유발된 것이다.
따라서 아이스큐브 연구진은 그 2개의 중성미자가 우주선(宇宙線, cosmic rays)과 지구 대기의 충돌에 의한 부산물이 아니라 아주 멀리 떨어진 우주에서 온 것으로 추정하고 있다.
 

이번에 추가로 발견된 26개의 출처를 알 수 없는 중성미자의 경우 이 2개의 중성미자에 비해 다소 적은 에너지를 가지고 있지만, 그럼에도 불구하고 예상보다 훨씬 많은 에너지를 운반할 수 있는 것으로 나타났다.
2010년 12월 18일 미국 국립과학재단(NSF) 아문젠-스콧 남극기지 내에 세워진 아이스큐브 중성미자 관측소의 주탐지기는 남극의 빙하에 최고 2.4㎞ 깊이의 구멍 86개를 뚫고 5천160개의 광센서가 촘촘히 들어차 있어 전체 규모가 1㎢에 이른다. 이는 일본에 있는 슈퍼 카미오칸데 중성미자 검출기보다 1천 배나 더 큰 규모이다.
이 관측소는 미국과 벨기에, 스웨덴, 독일의 출연으로 세워졌으며, 여기에서 나온 자료는 캐나다, 일본, 뉴질랜드, 스위스, 영국의 과학자들로 이루어진 보다 큰 규모의 아이스큐브 협력단에 의해 분석된다.


1초에 수십 조개의 중성미자가 인체 통과해



중성미자는 근본적으로 질량이 너무 작기 때문에 물질의 원자와 상호작용을 거의 하지 않아 포착하기가 매우 힘들다. 태양에서 오는 중성미자만 하더라도 지구 표면의 엄지손톱만한 넓이에 초당 수백억 개가 쏟아지는데, 대부분 지구를 뚫고 우주 속으로 날아가 버린다. 우리의 몸을 투과하는 중성미자도 1초에 수십조 개에 달한다.
그러나 그 수많은 중성미자 중 하나가 가끔씩 얼음의 원자와 부딪치는 과정에서 극미량의 빛을 발산하게 되는데, 그 빛을 아이스큐브에 빽빽이 들어선 광센서가 감지하게 된다. 아이스큐브의 주탐지기의 규모가 큰 이유는 바로 여기에 있다. 규모가 클수록 그만큼 충돌 현상을 관찰할 가능성이 높기 때문이다.
아이스큐브의 광센서들은 중성미자가 물 분자와 충돌할 때 생기는 푸른빛의 섬광을 검출하도록 설계되어 있다. 남극에 있는 얼음은 매우 순수하므로 충돌하는 중성미자들이 다른 분자가 아닌 물 분자와 상호작용을 할 가능성이 그만큼 크다고 볼 수 있다. 또한 새로 눈이 내릴 때마다 무게가 더해져서 얼음을 아래쪽으로 눌러 굳히므로 중성미자와 부딪칠 수 있는 분자가 더 많아진다.
이것이 바로 세계에서 가장 추운 남극의 지하 속에 거대한 중성미자 관측소가 들어선 이유이다.
또한 아이스큐브의 가장 깊고 가장 투명한 얼음 속 근처에 있는 8개의 구멍에는 딥코어(DeepCore)라는 충전물이 설치되어 있다. 딥코어는 수백 GeV 이상의 정밀한 측정이 가능해 천체의 근원지들로부터 나오는 초고에너지의 중성미자도 측정할 수 있다.
이에 비해 일본 기후현 카미오카광산의 지하 1천m 아래에 있는 슈퍼 카미오칸데는 10GeV 이상에서 에너지 분해능이 매우 열악하고 50GeV 이상에서는 진동하는 중성미자를 전혀 분간할 수 없기 때문에 아이스큐브와 비교할 바가 되지 않는다.
따라서 아이스큐브는 활발한 은하핵으로부터 방출되는 고에너지 중성미자 같은 것도 찾을 수 있다. 밝은 광원인 은하핵은 주변 질량을 모두 삼켜버리는 블랙홀로부터의 복사와 블랙홀로 붕괴되고 있는 별로부터의 강력한 광 빔인 감마선 폭발로 추정되고 있다.


직진성 역추적하면 근원지 알 수 있어



우주선의 경우 전하를 지니고 있으므로 자기장의 영향을 받아 이동 궤적이 구부러지거나 휘기도 한다. 그러나 중성미자는 전하를 띠지 않고 있으며 매우 적은 질량으로 인해 주변의 영향 없이 곧바로 뻗어나가는 직진성을 유지한다. 즉, 항성이나 행성이 내뿜는 자기장에도 이동 경로가 굴절되지 않고 직선으로 날아간다는 것이 중성미자의 최대 특징이다.
따라서 그 경로를 역추적하면 어디서 만들어졌는지 확인이 가능하며, 이는 우주의 기원을 찾는 데 큰 실마리가 될 수 있다. 하지만 이번에 아이스큐브가 관측한 미지의 중성미자들은 관련 입자들의 수가 미비해 아직까지 근원을 파악할 만큼의 확실한 패턴을 찾지 못한 상태인 것으로 밝혀졌다.
이에 대해 아이스큐브 연구진은 “현재까지의 데이터로는 중성미자의 근원을 판단하는 게 사실상 어렵다”며 “하지만 지금 말할 수 있는 것은 이 중성미자들의 근원을 지구 환경에서 발생할 수 있는 조건 내에서는 찾을 수 없다는 것”이라고 주장했다. 더불어 이처럼 높은 에너지를 가지는 중성미자가 우주에서 왔다는 것을 입증하는 데는 시간이 더 걸릴 것이라고 밝혔다.
아이스큐브 연구진은 태양계 외부에서 기원한 중성미자를 발견할 경우 고에너지 우주선이 어떻게 지구에 도달하는지를 설명할 수 있을 것으로 희망하고 있다. 그 같은 중성미자의 근원을 추적할 수 있다면 우주선의 근원 역시 밝혀낼 수 있을 것으로 기대된다.
한편, 아이스큐브 중성미자 관측소는 국제우주정거장에 장착된 알파자기분광계(AMS) 및 세계에서 가장 큰 입자가속기인 대형강입자충돌기(LHC)와 함께 암흑물질을 추적할 수 있는 세계 3대 장비 중의 하나로도 꼽히고 있다.
현대 입자물리학 이론인 표준모형에는 암흑물질을 설명하는 입자가 없다. 표준모형은 우주 물질의 약 4~5%만 설명할 수 있으며, 나머지는 23%를 구성하는 암흑물질과 우주 팽창을 유도하는 불가사의한 힘인 암흑 에너지가 72~73%를 차지하고 있다.
아이스큐브는 암흑물질이 태양을 통과하면서 양자와 상호 작용할 때 만들어지는 중성미자인 아원자 입자를 추적할 수 있다.