서울대 물리학과 김수봉 교수팀 소속 연구원 2명이 원자력발전소에 설치할 중성미자 검출기 시제품을 제작하고 있다. 사진 제공 서울대
중성미자는 핵융합이나 핵분열 반응 때 발생하는 아주 작은 입자다. 태양에서 날아오는 중성미자는 엄지손톱만 한 넓이에 초당 수백억 개가 쏟아진다. 하지만 대부분 우주로 날아가 버리기 때문에 관측이 거의 불가능하다. 그래서 ‘유령입자’라는 별명이 붙었다.
시간이 지나면 중성미자는 그 특성이 유령처럼 달라진다. 중성미자가 달라지는 법칙을 밝히는 변환상수를 구하면 초기 우주의 상태도 규명할 수 있다. 중성미자는 물질과 거의 반응하지 않기 때문에 검출하기가 지극히 어렵다.
이 ‘유령입자’를 잡기 위해 세계적인 물리학자들이 ‘고스트버스터’로 나섰다. 프랑스는 10여 년 전부터 검출기 한 대로 실험했지만 변환상수를 발견하지 못해 최근 검출기를 두 대로 늘렸다. 중국도 지난해부터 중성미자를 검출하는 국제 프로젝트를 진행하고 있다.
한국에서는 서울대 물리학과 김수봉 교수가 ‘고스트버스터’로 나섰다. 김 교수는 ‘유령입자’가 자주 출몰하는 원자력발전소를 선택했다.
원자로는 우라늄이 핵분열하면서 중성미자를 방출하기 때문에 다른 지역보다 중성미자가 수십만 배나 많다. 초당 1021개로 태양에서 오는 중성미자보다 1000억 배 정도 많은 수준.
김 교수는 지난해 과학기술부의 지원을 받아 전남 영광 원자력발전소에 중성미자 검출시설을 짓기로 하고 최근 개념설계를 마쳤다. 영광 원전은 전력생산량이 세계 두 번째라 중성미자가 많이 방출된다. 또 원전 주변에 산이 있어 우주에서 날아오는 입자를 피해 지하터널을 뚫고 검출기를 설치하기에도 좋다.
원자로에서 나오는 중성미자를 검출하는 원리는 간단하다. 원전을 가운데 두고 가까운 곳(150m)과 먼 곳(1500m)에 검출기를 설치한다. 두 곳에서 중성미자의 수를 측정해 비교하면 원자로에서 방출된 중성미자가 시간이 지나면서 어떻게 바뀌는지 알 수 있다. 계획대로라면 검출장비를 설치하는 2010년께부터 중성미자 검출을 시도하게 된다.
이현경 동아사이언스 기자 uneasy75@donga.com