당신 몸을 1초에 100조 개씩 뚫고 지나가는 유령: 우주에서 가장 잡기 힘든 신비의 입자 '중성미자'

서론: 물리학자들을 멘붕에 빠뜨린 도둑맞은 에너지

1930년대, 물리학자들은 원자핵이 붕괴하며 깨지는 실험(베타 붕괴)을 하고 있었습니다. 그런데 끔찍한 에러가 발생했습니다. 원자핵이 깨지기 전의 전체 에너지 양(100)과, 깨진 후 튀어나온 부스러기들의 에너지를 다 합친 양(90)이 맞지 않는 것입니다. 완벽해야 할 물리학 계산에서 10이라는 에너지가 감쪽같이 공중 증발해 버린(도둑맞은) 것입니다.

볼프강 파울리라는 천재 물리학자는 이 골치 아픈 문제를 억지로 때우기 위해 기막힌 변명을 하나 지어냅니다. "아, 에너지가 사라진 게 아니야! 폭발할 때 질량도 거의 없고, 전기도 안 띠어서 우리 기계에 절대 안 잡히는 아주 작은 투명 망토 입자(중성미자)가 나머지 에너지를 훔쳐서 빛의 속도로 도망가 버린 거야!"

본론: 우주 최고의 유령 스파이를 잡아라

1. 지구를 0.04초 만에 관통하는 입자

이 '중성미자(Neutrino, 아주 작고 중성인 놈)'는 태양 중심에서 핵융합이 일어날 때, 혹은 별이 폭발(초신성)할 때 우주 사방으로 뿜어져 나옵니다. 문제는 이 녀석이 철저한 '아싸(외톨이)'라는 점입니다.

우주의 모든 물질은 전자기력이나 강력 같은 힘으로 서로 부딪히고 튕깁니다. 그래서 총알이 벽에 맞으면 박히고, 빛이 유리에 맞으면 반사되죠. 하지만 중성미자는 전기(+)도 (-)도 띠지 않아서 다른 물질들과 아예 말을 섞지 않습니다(상호작용 안 함). 그래서 중성미자가 지구로 날아오면, 수십 km 두께의 철판이든 끓는 마그마든 사람의 몸뚱어리든 1도 부딪히지 않고 그냥 '진공(빈 공간)'을 지나가는 것처럼 0.04초 만에 지구 전체를 뻥 뚫고 우주 반대편으로 빠져나가 버립니다. 지금 이 순간에도 태양에서 날아온 중성미자 100조 개가 당신의 엄지손톱을 1초마다 뚫고 지나가고 있습니다.

2. 슈퍼 카미오칸데: 지하 1,000m의 유령 덫

과학자들은 이 얄미운 유령을 잡기 위해 미친 짓을 벌입니다. 일본의 폐광산 지하 1,000m 밑바닥에, 건물 15층 높이의 어마어마하게 거대한 물탱크를 파고 세상에서 가장 깨끗한 초순수 물 5만 톤을 가득 채웠습니다. 이 미친 기계의 이름이 바로 **'슈퍼 카미오칸데(Super-Kamiokande)'**입니다.

왜 하필 땅속 깊은 곳에 물탱크를 만들었을까요?

• 지하 1,000m를 파고 들어가면 우주에서 날아오는 다른 잡다한 방사선 쓰레기(우주선)들은 바위와 흙에 부딪혀 다 걸러집니다.
• 오직 다른 물질과 부딪히지 않는 '유령(중성미자)'만이 이 바위벽을 통과해 물탱크 속으로 진입할 수 있습니다.
• 수조 개의 중성미자가 물탱크를 통과하다가, 정말 우연히, 로또 1등에 당첨될 확률로 중성미자 1개가 물 분자의 원자핵과 정통으로 꽝! 부딪히는 기적이 일어납니다.
• 그때 뿜어져 나오는 아주 미세한 푸른 불빛(체렌코프 광)을 탱크 벽에 붙은 수만 개의 카메라가 찰칵! 하고 찍어내는 데 성공한 것입니다. 이 덫을 파놓고 기다린 일본 과학자들은 노벨상을 휩쓸었습니다.

결론: 이 유령을 대체 어디다 쓸까?

이 징그럽게 안 잡히는 유령 입자를 알아서 뭐 하냐고요? 중성미자는 다른 물질에 부딪혀 막히거나 휘지 않고 우주 저 끝에서 날아오면서 '처음 태어날 때의 정보'를 100% 고스란히 간직하고 날아옵니다.

• 만약 태양 중심부에서 날아온 중성미자를 분석하면, 굳이 태양 껍질을 뚫고 들어가지 않아도 태양 속 용광로가 며칠 뒤에 터질지 엑스레이를 찍듯 실시간으로 훔쳐볼 수 있습니다.
• 138억 년 전 빅뱅의 순간 뿜어져 나온 중성미자를 잡아내면, 우주가 처음 폭발하던 그 찰나의 순간을 눈앞에서 보듯 완벽하게 스케치할 수 있습니다.

지구를 유리창처럼 뚫고 지나가는 중성미자는, 닫혀있는 우주의 블랙박스를 열어줄 인류 최고의 타임머신이자 가장 은밀한 유령 스파이입니다.