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알 수 없는 중성미자
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알 수 없는 중성미자

  • NickolasSolomey
  • |
  • 전남대학교출판문화원
  • |
  • 2018-01-25 출간
  • |
  • 240페이지
  • |
  • 193 X 261 X 12 mm /548g
  • |
  • ISBN 9788968494598
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북스크린영상으로 만나보는 한 권의 책 이야기

출판사서평




태양이나 다른 별들 심지어 우리 우주를 탄생시켰던 대폭발(big bang)로부터 방사된 작은 입자들이 우주공간의 모든 방향으로 전파되고 있다. 지금 현재도 이 수 천 개의 입자들이 특별한 반응도 없이 우리 각자를 통과하고 있다. 중성미자(neutrino)라 불리는 이들 입자들은 어떤 형태의 물질과도 거의 상호작용을 하지 않아 수 백 광년[주석: 빛이 1년 가는 길이] 두께의 납을 통과할 정도이다. 중성미자와 관련된 우리의 지식과 경험에 비추어 중성미자가 현 우주의 작동에 크게 어떤 영향을 미칠 것으로 보이지는 않는다. 그러나 우주 대폭발 당시에 형성되었던 중성미자들은 우주를 구성하는 물질 생성에 매우 큰 영향을 미쳤고 심지어는 물질의 운명까지도 바꿀 수 있는 것으로 생각된다. 이런 가능성들은 1930년대에 중성미자의 존재를 예견했던 물리학자들은 생각도 할 수 없던 것이었다. 이들 과학자들은 단지 자연의 법칙과 물질의 특성을 이해하기 위한 깊은 사고를 하였으며 중성미자에 대한 연구가 그들의 연구에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대했을 것이다.
근대 물리학자들도 아주 오래전 고대인들에 의해 제기되었던 의문을 계속 가지고 있었다. 고대 그리스와 이집트 사람들은 그들 주위의 세계의 물리적 구조를 설명하기 위하여 놀라울 정도로 정확한 개념을 주장했었다. 기원전 약 430년 전에 살았던 뛰어난 그리스 철학자이며 수학자였던 Democritus는 모든 물체는 -그리스어로 “더 이상 나눌 수 없다”는 의미의 아토미스(atomis)에서 유래한- “원자(atom)”로 구성된다고 생각하였다. 그가 의미했던 것은 물체를 이루는 모든 물질을 계속 분할하여 더 이상 나눌 수 없는 상태인 물질의 기본적인 구성단위였다. 이런 생각은 얼핏 타당하게 들리지만, 고대 철학자들은 기술 부족 때문에 그들의 예측이 옳다는 것을 입증할 수 있는 실험을 할 수 없었다. 그들은 오늘날 과학자들의 연구 방법과는 거의 반대 관점인 실험적 증명이 없는 단순한 명상적 사고에 의해 자연을 이해하려 했었다.
오늘날 우리는 모든 물질이 가장 가벼운 수소부터 현재까지 알려진 가장 무거운 원소인 마이트네륨(meitnerium)에 이르는 원자들로 이루어진다는 것을 잘 알고 있다. 이 서로 다른 원자들은 우리가 보고 있는 우리 주위 우주에 있는 다양한 물체들의 기반을 이룬다. 일반적으로 원자의 연구와 물질의 특성에 대한 연구 분야가 물리학인 것이다. 그중 가장 기본적인 연구 분야가 원자핵과 입자물리이며, 필자처럼 원자 그 자체를 이루는 것이 무엇인가를 이해하려 노력하는 연구자들의 영역이다. 지난 세기 말 경에, 원자를 이루는 것이 무엇인가에 대한 충분한 해답을 얻을 만큼 과학자들의 실험적 기술은 발전하였다. 그 후, 원자는 단지 소수의 구성요소인 아원자 입자(subatomic particle)[주석: 원자를 이루는 구성 입자]로 이루어진다는 것이 알려졌다. 이들 아원자적 구성요소는 전자, 양성자 및 중성자이다.
근래의 연구는 이들 세 가지 입자들에 대한 것보다는 궁극적인 기본 입자인 쿼크(quark)와 경입자(lepton), 그리고 이들 기본 입자의 상호작용과 관계되는 몇몇 입자들에 대해 이루어지고 있다. 일반적인 물질[주석: 단지 두 개의 쿼크와 전자로 구성됨]과 달리 모든 물질은 이들 소수의 기본입자들로 이루어진다. 즉, 우리 주변의 일반물질들은 단지 두 종류의 쿼크와 하나의 경입자(전자)로 구성되나, 우주의 다른 부분-고에너지 우주선, 폭발하는 별 그리고 은하의 핵 등-에 존재하는 특이한 물질을 설명하기 위해서는 모든 종류의 쿼크와 경입자들이 필요하다. 여기 지구상에서 과학적 연구에서는 가속기를 사용하여 이런 특이한 물질들을 생성시킨다.
중성미자는 이들 기본입자들 중에서도 가장 이해하기 힘든 입자 중의 하나이다. 중성미자는 전자와 상당히 유사하나 전하를 가지지 않고 질량이 거의 없다. 이러한 특징들이 중성미자를 더욱 수수께끼 입자처럼 보이게 하는 것이다. 상당한 질량을 갖는 중성입자나 어떤 크기의 질량을 갖는 하전입자들도 그들이 물질과 만나면 상호작용을 한다. 그러나 중성미자는 마치 물질이 있다는 것을 모르기라도 한 것처럼 현대의 가장 정교한 검출기조차도 통과한다. 중성미자의 수수께끼 같은 이 특성 때문에 이 입자가 처음 제안되었을 때 그 존재에 대한 격렬한 논쟁이 발생하였다. 앞으로 알겠지만 결과적으로 물리학자들은 직접 이 수수께끼 같은 입자를 실험적으로 검출하지 않고 그 존재를 입증하려 했었다. 심지어 중성미자의 존재가 입증된 이후에도 실험실에서 이 입자를 관측하기까지 30년 이상의 시간이 걸렸으며, 더구나 관찰된 그 입자가 중성미자 그 자체가 아니고 중성미자와 상호작용에서 생성되었던 입자였다. 현재까지도 중성미자가 질량을 보유하느냐에 대한 논쟁이 지속되고 있다[주석: 현재는 중성미자 진동이라는 간접적인 실험을 통하여 중성미자가 질량을 가지고 있다고 알려져 있다].
중성미자 검출을 어렵게 하는 바로 그 특성이 역설적으로 우주의 비밀을 파헤치는 중요한 도구가 된다. 중성미자는 물질과 거의 상호작용을 하지 않기 때문에 지구에 도착하는 빛이 만들어지는 똑같은 태양 속의 핵반응에서 생성되어 변화되지 않고 태양의 핵(core)으로부터 탈출할 수 있다. 심지어 죽어가는 별의 초신성(super nova) 폭발에서도 엄청난 양의 중성미자가 만들어져 지구에까지 도달한다. 그러나 대부분의 중성미자들은 수십 억 년 전 우주 대폭발 시기에 만들어졌다. 이 중성미자들의 대부분은 물질을 통과하면서 어떤 신호도 검출되지 않으면서, 이 순간까지도 우주공간을 전파해 가고 있다. 이런 중성미자 검출을 통해 과학자들은 우리 태양과 먼 우주의 별들 내부에서 일어나는 현상들에 대해 알 수 있으며, 우주 대폭발 후 매우 초기 우주의 상수(parameters)를 측정함으로써 우주의 창생 당시로 돌아갈 수 있게 도움을 줄 수 있는 것이다.
입자물리학(elementary particle physics)의 영역은 광범위해서 이를 이해하려는 꿈을 가진 신진 연구자들에게는 상당히 버거울 수 있다. 하지만 이 신비로운 입자는 입자물리 연구영역의 역사에서 중요한 역할을 하였기 때문에, 입자물리학 영역으로 통하는 좋은 창문 역할을 할 수 있다. 중성미자를 중심으로 연구하다보면, 방사능의 발견에서 소립자의 기원, 그리고 그 질량에 대한 현대의 이론적 관점들에 대한 입자물리학의 발전과정까지 잘 살필 수 있을 것이다. 이는 바로 약 백 년 전에 방사능의 발견과 함께 시작되었던 검출과정에 대한 탐정 이야기이다. 초기의 실험 관찰에서 물리학자들은 어떤 의문을 가졌었고, 이에 대한 해결책으로 중성미자의 존재를 가정하였다. 그런 과정에서 물리학자들은 과학적 탐구를 하면서 물리 법칙들에 대해 많은 내용들을 알게 되었던 것이다.
특히 앞으로 알게 되겠지만, 입자가 다른 입자들과 상호작용 하는 네 가지 기본적인 힘(force) 중의 하나를 연구하는데 중성미자의 연구는 연구자들에게 하나의 지표가 되었다. 원자의 구성을 이해하는 것만큼, 이러한 힘들을 이해하는 것은 바로 입자물리학의 중요한 기본이다.
우리 모두에게 친숙한 힘은 우리를 지구상에 있게 하는 중력이다. 중력은 고대 그리스인들에 의해 가상적으로 제안되었지만 수학적으로 공식화된 표현은 단지 3백 년 전 정도이다. 전기력의 발견은 대개 뇌우 속에서 연을 날린 Benjamin Franklin의 영감에서 유래한 것으로 알려졌지만, 고대 이집트인들도 비록 호기심의 마술적 트릭 또는 도둑을 ?아버릴 목적으로 사용되기는 했지만 그 존재는 알고 있었다. 그럼에도 불구하고 150년이 지나서야 이 힘을 수학적 공식을 통하여 완전히 알게 되었다. 더욱 최근인 2차 대전 말에는 아원자적인(subatomic) 강한 핵력을 사용하여 엄청나게 강력한 에너지의 분출[주석: 원자 폭탄을 뜻함]을 우리 지구에서 볼 수 있었다. 그 원자폭탄의 폭발은 우주의 물질 구성과 그 구성요소들의 상호작용으로 인한 힘에 대한 우리의 이해가 새로운 수준에 도달했다는 것을 명확하게 보여준 것이었다. 중성미자 실험은 새로운 힘(지금은 존재하는 것으로 잘 알려진)인 약한 핵력을 규명하는데 중요하다. 이 힘은 우리가 만나게 될 3가지 방사능 유형 중 하나(베타붕괴)의 원인이 된다. 이 힘은 비록 두 가지 핵력 중 약한 것이지만 양성자와 중성자 내의 구성요소를 보다 더 잘 이해하는데 도움이 된다.
과학자들은 입자물리학에 대해서 더욱 더 알면 알수록 중성미자는 원래 생각했던 것보다 더 혼란스러운 입자라는 것을 알게 되었다. 우리는 물리학의 초석으로 믿어져 왔던 정확한 보존법칙이 이 입자 때문에 성립하지 않으므로 그 법칙을 버려야한다는 것을 마침내 알게 되었다. 더구나 중성미자는 자연계에서 유일하게 다른 입자들은 가지지 못한 즉, 중성미자 스스로가 반입자일 수도 있다는 독특한 특성을 가졌다. 이러한 것들이 중성미자의 힘과 관련된 상호작용, 그리고 중성미자의 여러 특성과 함께 물리학자들에게는 매혹적인 것이다. 이러한 매력 때문에 물리학자들은 우리가 사는 세상을 만든 것이 무엇인가를 이해하려고 연구에 몰두하게 된다. 필자는 이 책을 통하여 입자물리학의 광범위한 부분에서 이론적인 발전을 보여줌은 물론 관련된 실험과 그 결과에 여러분이 몰입되게 하려는 바램을 가지고 있다. 이런 실험 결과와 이론은 우리가 실제로 이들 입자들과 이들의 수수께끼를 어떻게 알게 되는지를 보여준다. 과학의 서로 다른 관점인 이론과 실험은 현대 과학에서는 서로 분리할 수 없으며 더 나은 과학적 이해와 발전을 위해서 이 두 관점은 매우 상호의존적이다.

방사능의 발견
약 백 년 이전에 일상적인 가정의 집기들은 놀라울 정도로 아름다운 청색과 오렌지색을 띤 경우가 많았다. 이처럼 섬뜩할 정도로 아름다운 색의 집기들은 코발트와 우라늄 같은 중금속을 함유한 특별한 광석이 약간 첨가되어 제작되었다. 현대의 소비자들은 코발트 블루나 우라늄 오렌지 같은 색을 띤 유리잔, 꽃병, 커피 탁자 등을 구입하는데 상당히 조심스럽지만, 그 당시의 사람들은 이런 종류의 장식에 대해서 그냥 보통으로 생각하였다. 이런 종류 원소들과 나중에 알려지는 더 많은 비슷한 원소들은 과학사회에서 곧 특별한 의미를 지니게 된다.
1896년 프랑스 물리학자인 Henri Becquerel은 이런 중금속을 함유한 광석시료가 특이한 효과를 보유함을 우연히 알게 되었다. 그가 그 광석 근처에 개봉하지 않은 채로 놓아둔 사진건판이 마치 빛에 직접 노출된 것처럼 검게 변해있었다. 즉, 광석은 어떤 새로운 유형의 에너지를 방사하는데 그 에너지는 적어도 빛과 어느 정도 비슷한 특성을 가지고 있는 것으로 생각되었다. 베크렐의 이 발견은 현대 핵물리학의 탄생을 알리는 것이었는데, 그는 원자의 방사성 붕괴(radioactive decay)라 불리는 현상을 인지한 최초의 사람이었다.
베크렐은 그 광석이 우라늄을 포함하고 있다는 것을 알았다. 그의 우연한 발견 수 년 후, Marie와 Pierre Curie 부부는 주의 깊은 연구 끝에 이 광석들이 토륨(thorium)과 그 전에는 알려지지 않았던 원소인 라듐(radium)을 함유하는 것을 알았다. 이 세 원소(우라늄, 토륨, 라듐)는 퀴리부부가 명명한 방사성 붕괴라 부르는 일종의 변환을 겪는다는 것을 퀴리 부부와 다른 과학자들은 보았다. 이 붕괴과정에서 한 원자가 무게가 다른 전혀 다른 원자로 변환될 뿐 아니라 막대한 에너지를 가진 입자들이 방출된다.
방사성 원소들은 알파(alpha), 베타(beta), 감마(gamma)라 불리는 세 가지 다른 유형의 입자들을 방사한다는 것이 간단한 실험에서 밝혀졌다. 전술한 것처럼 좁은 슬릿(slit)이 있는 용기 안에 방사성 광석 시료가 있다면 좁은 슬릿을 통하여 좁은 빔(beam)의 입자들이 18쪽 그림에 표현된 것처럼 방사된다. 그 빔은 자기장을 통과하면서 양전기를 띤 알파 입자는 한 방향으로 휘고 음전기를 띤 베타 입자는 반대로 휘어진다. 중성의 감마 입자는 휘어지지 않는다. 오늘날 알파 입자는 무거운 원자핵에서 방출되는 양전하를 띠는 헬륨 원자핵이라는 것을 알고 있다. 베타 입자는 음전하를 가진 전자이며 감마선은 입자와 파동의 특성을 가지는 빛의 불연속적 입자 덩어리인 고에너지 광자(photon)이다. 대다수 방사성 광석들은 매우 다양한 원소들의 혼합물이므로 세 가지 방사성 유형을 다 방사한다. 순수한 단일 원소는 거의 한 유형만을 방사한다. 방사성 원소에서 방사되는 고에너지 입자 자체가 강력한 연구도구임을 과학자들은 잘 알고 있다. 그래서 그들은 원자 자체의 구성을 연구하기 위하여 방사선을 이용한 실험을 설계하기 시작하였다.
방사성 원소가 발견되었던 20세기 초 무렵, 영국의 J. J. Thompson은 전자를 발견하였고, 이와 관련된 원자모형인 건포도 푸딩 모형(plum-pudding model)을 제안하였다. 그는 푸딩 안의 건포도처럼 양전하의 바다(sea)에 고루 음전하의 전자가 분포하는 것을 상상하였다. 당시에는 그러한 모델이 음전하의 전자가 양전하와 결합하여 전기적으로 중성인 원자를 구성하는 수단을 제시하여 합리적인 것으로 생각되었다. 원자의 건포도-푸딩 모형은 단지 추측이었으나 쉽게 테스트될 수 있는 생각이었다.
1911년, 톰슨의 학생이었던 Ernest Rutherford는 실험을 진행하여 스승의 원자모형이 틀렸다는 것을 증명하였다. 러더퍼드는 그가 바랐던 데로 원자 내의 전하분포를 밝히기 위한 실험을 고안하였다. 그는 금원자로 된 박막(thin foil)에 방사성원소에서 방사된 알파 입자들의 평행 빔을 조준 발사하였으며 박막 뒤에는 알파 입자의 산란을 관측할 수 있는 형광 스크린을 배치하였다. 물리학의 정전기 법칙에 의하면 같은 전하는 서로 반발하므로 양전하의 알파 입자는 금박으로 들어가 금원자의 양전하에 가까워지면서 편향되어야 한다. 양전하가 톰슨의 예측된 모형처럼 원자 내에 고르게 분포한다면, 알파입자의 행로는 원래 궤적에서 약간만 휘어질 것이다. 그러나 어떤 알파 입자는 90도 이상 휘어지고 놀랍게도 다른 입자는 되 튕겨 나오기도 했다.
러더퍼드는 그것이 마치 포탄을 벽에다 쏘아 되돌아오는 것 같다고 익살을 떨었다. 이 실험은 여러 번 행해졌고 항상 같은 결과가 나왔다. 이런 결과의 의미는 의심의 여지없이 명확한 것이었다. 즉, 원자의 양전하는 상당히 밀집되어 있어야 한다는 것이다.
20세기 초에 입자를 가지고 하는 실험은 힘들었다. 형광 스크린에서 알파입자의 산란을 관측하는 유일한 방법은 육안 관찰이었다. 러더퍼드의 학생이 되려면 매우 밝은 눈을 가진 사람이어야 했다. 선발된 학생들은 형광 스크린이 있는 쪽의 암상자 속에 여러 시간 앉아있어야 했다. 학생들은 알파입자가 형광 스크린에 충돌하여 나오는 매우 약한 빛에 적응해야 했다. 선발된 학생들은 충돌한 알파입자에 의해 만들어진 6개 광자로 된 빛을 볼 수 있어야만 했다(평균적으로 사람들은 적어도 10개 광자 이상의 빛만 볼 수 있다). 그래서 러더퍼드의 알파입자 빔을 이용한 유명한 실험들은 매우 약한 빛을 볼 수 있는 예리한 눈에 의하여 이루어질 수 있었다.
러더퍼드의 재능 있는 학생 중의 하나였던 Hans Geiger는 입자가 지나간 지를 전자기적으로 기록할 수 있는 기구를 발명하여 스승의 산란실험을 보다 용이하게 하였다. 가이거 계수기(Geiger counter)로 알려진 이 유용한 전자계측기는 현재까지 복사량(radiation levels)을 측정하는데 널리 이용된다.
처음에는 원자에서의 양전하의 분포가 밀집되어 있다는 것이 형광 스크린 상에서의 알파입자의 분포로부터 규명되었지만 유사한 음전하의 밀집됨은 관찰하지 못했다. 러더퍼드는 원자가 태양계의 구성과 비슷하다는 것을 천명하였다. 원자는 그가 제시한 것처럼 무거운 핵과 그 주위를 행성처럼 도는 음전하의 전자로 이루어진다. 전자는 반대되는 전하사이에 작용하는 인력 즉, 전자기력에 의해 양전하의 핵 주위에 구속(bound)되어 있다.


목차


역자서문 / 5
서문 / 7

1장 수수께끼의 중성미자 / 11
2장 우주론과 중성미자의 질량 / 31
3장 모든 우회전 중성미자는 어디로 사라졌는가? / 47
4장 직접적인 중성미자의 관측 / 67
5장 나머지 중성미자와 이상한 물질, 잘 모르는 기원 / 91
6장 중성미자는 자신의 반중성미자가 있을까? / 115
7장 전자기－약 상호작용의 통일 이론에 대하여 / 135
8장 중성미자 망원경으로 우주 탐험 / 157
9장 중성미자 종류 수 결정 / 177
10장 미소 우주에 대한 아직 답이 없는 질문에 대하여 / 199

에필로그 / 219
참고문헌 / 222
그림출처 / 224
색인 / 229
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