美 지하 1.6km에 초대형 중성미자 검출기 '듄' 구축 본격화

2030년 관측 목표

프로토듄(protoDUNE) 실험은 미국 샌퍼드 지하연구시설(SURF)에 건설 중인 '심층지하중성미자실험(DUNE, 듄)' 원거리 검출기에 적용할 기술과 설계를 사전에 시험하고 검증하기 위한 프로그램이다. Maximilien Brice/CERN 제공

우주의 비밀을 풀 입자인 '중성미자' 연구가 올해로 노벨 물리학상 '5관왕'을 달성한 가운데 미국도 초대형 중성미자 검출기 구축을 본격 시작한다.

10월 31일(현지시간) 영국 가디언 보도에 따르면 미국 페르미국립가속기연구소(Fermilab)가 주도하는 국제 공동연구사업 '심층지하중성미자실험(DUNE, 듄)'의 초대형 중성미자 검출기 조립이 11월 2일부터 본격 시작된다. 페르미연구소는 2030년 초부터 관측 데이터를 수집할 것으로 기대하고 있다.

우주의 기본입자 중 하나인 중성미자는 질량이 매우 작고 전하도 띠지 않아 다른 물질과 상호작용이 거의 없다. 아직 질량 등 성질이 명확히 밝혀지지 않아 물리학계에서는 중성미자를 통해 답을 얻을 주요 질문들이 아직 많이 남았다는 평가를 받고 있다.

듄은 중성미자를 검출해 중성미자 3종의 질량 순서나 현재 관측 가능한 우주에서 물질이 왜 반물질보다 훨씬 많이 존재하는지 등 현대 물리학의 근본적인 난제를 해결하기 위해 추진되는 대규모 입자물리학 실험이다. 미국 사우스다코타주 리드에 위치한 폐금광 홈스테이크 광산 지하 약 1.6km에 검출기 4기를 구축한다. 1단계 건설은 2기가 목표다.

듄 연구진은 2020년부터 2024년까지 완료한 지하 공동 굴착 작업에 이어 유럽입자물리연구소(CERN)가 제공한 약 5000톤(t) 이상의 강철 구조물을 지하로 운반해 액체 아르곤 검출기를 담을 극저온 용기 설치를 진행하고 있다.

검출기 4기는 높이가 최대 5층 건물에 달하고, 모듈당 약 1만7000t씩 총 7만여t의 액체 아르곤을 극저온으로 냉각해 채우는 방식으로 구축된다. 중성미자가 액체 아르곤 원자와 드물게 충돌하면 발생하는 미세한 빛과 전기 신호를 정밀하게 측정해 입자의 특성을 분석하는 원리다. 검출기 조립에는 약 3년, 액체 아르곤 충전에는 추가로 약 1년이 소요될 전망이다.

미국 샌퍼드 지하연구시설(SURF)의 지하 약 1.6km에 위치한 남쪽 공동에서 듄 검출기의 극저온 용기에 사용할 L자형 구조용 빔을 옮기는 모습. 길이 약 150m 이상, 높이 약 7층 건물 규모의 이 지하 공간에는 듄 실험을 위한 거대한 검출기 모듈 하나가 설치될 예정이다. Aaron Thompson/Fermilab 제공

중성미자는 전자·뮤온·타우 중성미자의 세 종류가 있으며 이동하는 동안 다른 종류로 바뀌는 '중성미자 진동' 현상이 나타난다. 

듄 연구진은 향후 미국 일리노이주 페르미연구소에서 생성한 중성미자와 중성미자의 반물질인 반중성미자를 약 1300km 떨어진 사우스다코타주의 지하 검출기로 보내 이동 과정에서 진동 현상에 차이가 있는지 등을 정밀하게 비교한다. 페르미연구소에서는 '양성자 가속기 성능 개선사업 2단계(PIP-II)'를 통해 세계 최고 강도의 중성미자 빔을 생성하겠다는 계획이다.

실험을 통해 중성미자 질량 순서를 규명하고 우주의 물질-반물질 비대칭성을 설명하는 주요 조건 중 하나인 'CP 대칭성 위반(CP violation)' 등을 확인할 수 있을 것으로 기대된다. 또 지상 가속기에서 생성한 중성미자뿐 아니라 태양과 초신성 폭발 등 우주에서 도달하는 중성미자도 관측해 별의 진화와 블랙홀 형성 과정 등을 연구한다.

올해 노벨 물리학상은 남극 얼음 아래 거대한 중성미자 관측소인 '아이스큐브(IceCube)'를 제안·건설하는 데 공헌한 프랜시스 할전 미국 위스콘신 매디슨대 교수가 수상했다. 1988년, 1995년, 2002년, 2015년에도 중성미자 연구자에게 노벨 물리학상이 돌아갔다.

이미 중성미자 연구로 노벨 물리학상을 2번 가져간 일본의 후속 중성미자 검출기 '하이퍼카미오칸데'는 2027년 말 완공, 2028년 초 운영 시작이 목표다.

지난해 8월 가동을 시작한 중국의 '장먼 지하 중성미자 관측소(주노, JUNO)'는 최근 역대급 정밀도의 관측 데이터를 연달아 공개하면서 학계를 주도하고 있다. 한국에서도 중성미자 관측소를 짓자는 구체적인 아이디어가 꾸준히 제시됐지만 아직 추진 계획은 마련된 바 없다.

'심층지하중성미자실험(DUNE, 듄)' 개요. 향후 미국 일리노이주 페르미연구소에서 생성한 중성미자와 중성미자의 반물질인 반중성미자를 약 1300km 떨어진 사우스다코타주의 지하 약 1.6km에 설치될 검출기로 보내 이동 과정에서 진동 현상에 차이가 있는지 등을 정밀하게 비교한다. Dune science 제공

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]