머 리 말
작년 1998년 6월 4일부터 9일까지 일본의 타카야마현에서 역사적인 국제학술회의가 개최되었다. <제18회 중성미자와 천체물리에 관한 국제회의>에서 수퍼카미오칸데 실험그룹은 소립자물리학에서 획기적 사실로 기록될 중성미자 질량존재의 증거를 최초로 보고하였다.[1] 우주선이 지구대기와의 충돌로 인해 생성한 '대기중성미자'의 관측을 통하여 '뮤온중성미자(νμ)'가 '타우중성미자(ντ)'로 진동변환된다는 강력한 증거를 지난 2년 동안의 데이터로부터 발견하였던 것이다. CNN방송은, Science 잡지가 이 사실을 98년 과학분야에서 4번째의 중요한 발견으로 간주하였다고 보도하였다. 중성미자의 질량존재를 의미하는 중성미자 진동변환 현상의 관측으로 말미암아, 소립자물리의 근간이며 중성미자 질량이 없음을 가정하여 왔던 '표준모형'[2]의 수정이 불가피하게 되었다. 뿐만 아니라, 우주에 무수히 많이 존재하는 중성미자는 개개의 극미한 질량에도 불구하고 질량 총합이 우주 전체의 질량과 비교하여 무시될 수 없음으로써 우주천체물리에서도 그 위상과 역할이 재고되어야 할 것이다. 더욱이 중성미자의 질량존재로 인하여 대통일장이론이 더 이상 가상적인 하나의 이론으로서가 아니라 자연 속에 실재할 가능성이 한층 더하게 되었다. 이 글에서는 중성미자의 발견에서부터 그것의 질량존재 증거 포착까지의 역사, 수퍼카미오칸데의 결과와 그 의의를 기술해보고자 한다.
중성미자의 탄생에서 오늘까지
양자역학이 태동하기 시작할 무렵인 20세기초에 핵의 방사능붕괴가 점점 물리학자들에게 친근하게 되었다. 1886년 헨리 벡쿼럴(Henri Becquerel)에 의해 처음으로 방사능붕괴가 발견되고 큐리 부부에 의해 방사능이 전자 방출의 한 형태임을 알게 되었다. 즉, 17세기 뉴톤에 의한 중력, 18세기 쿨롬에 의한 전기력, 19세기 맥스웰에 의한 전자기력의 통일 후, 핵자들 사이에 작용하는 약력이 처음으로 물리학에 소개되었던 것이다. 그러나 곧 물리학자들은 이 핵붕괴 과정에서 에너지와 운동량이 보존되지 않음을 알게 되었다. 구체적으로, 그림 1에서와 같이 Bi 원자의 방사능붕괴에서 원래상태와 변환된 후의 원자가 지니는 에너지 차이와 튀어나오는 β선(전자)의 운동량을 모두 측정하였는데, 이 과정에서 마치 일부 에너지와 운동량이 어디론가 사라진 것처럼 보였다. 새롭게 인식된 소립자들 사이의 상호작용인 약력으로 인해 물리학의 근본원리를 의심하게 되었던 것이다. 방사능 붕괴에서 β선 방출만으로는 에너지와 운동량이 도저히 보존이 되지 않음을 설명하기 위해 1930년 볼프강 파울리(Wolfgang Pauli)에 의해 도입된, 전기적으로 중성이며 관측될 수 없는 가상의 입자가 중성미자 혹은 뉴트리노(neutrino 또는 ν)라 불리우는 소립자이다. [*원래 파울리는 중성자(neutron)라고 명명하였으나 1933년 채드윅(James Chadwick)이 현재의 중성자에 해당하는 핵자를 발견한 이후에 페르미(Enrico Fermi)가 중성미자로 새롭게 명명하였다.]
가상의 입자로 소개된 후 25년이 지난 1956년, 프레드 라이네스(Fred Reines, 1995년 노벨상 수상자)와 그의 동료들이 핵반응로에서 나오는 e 중성미자(νe의 반입자)를 관측함으로써 중성미자의 존재가 최초로 판명되었다. 그후 1962년 레더만(Leon Lederman), 슈왈쯔(Melvin Schwartz), 스타인버거(Jack Steinberger)가 뮤온중성미자(νμ)를 Brookhaven 국립연구소의 가속장치를 이용하여 발견하였고, 그들은 이로 인해 1988년 노벨상을 수상하였다. 1989년 유럽공동가속기연구소(CERN)에서 전자와 양전자를 고에너지에서 충돌시키는 실험(LEP)을 통하여 가벼운 중성미자의 종류는 세가지뿐이라는 중요한 사실을 알게 되었다. 1977년 마틴 펄(Martin Perl)이 타우(τ)입자를 발견함으로써 그것의 파트너인 타우중성미자(ντ)가 존재함을 간접적으로 믿게 되었다. 그림 2에서와 같이 경입자(lepton)들은 중입자(quark)들처럼 향기(flavor)가 유사한 것들끼리 세 가족의 쌍을 이루며 존재한다. 그런데, 왜 하필이면 3종류의 쌍만이 존재하는가 하는 이유는 아직 모르고 있다. 경입자와는 달리 핵력(강력)을 느끼는 중입자는 서로 다른 향기를 지닌 쌍들 사이에는 약력의 상호작용을 통해 서로의 변환이 가능하다. 이것을 향기의 섞임(flavor mixing)이라 한다. 하지만 아직까지는 경입자들 사이의 섞임이 관측되지 않았다. 경입자들 사이에 섞임이 일어나지 않는 것은 중성미자의 질량이 없다는 것과 밀접한 관계가 있음을 나중에 진동현상에서 언급될 것이다.
1957년 콜롬비아 대학의 Wu 교수는 Cobalt 60(60Co)의 방사능붕괴에서 β선이 Cobalt 핵의 스핀 방향에 대한 각도에 따라 방사되는 세기가 다름을 관측함으로써 약력에서는 좌우, 상하 등의 위치(Parity) 변환에 대해 물리법칙의 대칭성이 깨어짐을 보였다. 이것은 방사능붕괴에서 동반되어 나오는 νe 중성미자의 스핀 방향이 운동하고 있는 방향과 항상 반대로 향하는, 즉 왼쪽편극(left-handed helicity)만이 있음을 뜻한다. 그리고 반 중성미자인 e는 오른쪽편극(right-handed helicity)만을 보이게 된다. 이 결과를 접한 파울리는 "맙소사, 신은 왼손잡이다."라고 했을 정도로 충격적인 사실이었다. 왼쪽편극만의 중성미자 존재는 그것의 질량이 없다는 사실과 동일하다. 만약 중성미자의 질량이 조금이나마 있다면, 왼쪽편극 뿐만 아니라 오른쪽편극을 지닌 중성미자가 반드시 존재해야 한다는 것을 상대론으로 쉽게 설명할 수 있다. 이렇듯 이해하기 어려운 기묘한 자연의 현상은 아미노산의 구조가 왼쪽편향성(left chirality)만을 띄고 있다는 것과 연관지어 생각해보면 아주 흥미로운 사실이 아닐 수 없다.
중성미자는 약력만으로 물질과 상호작용을 하여 관측하기가 매우 어려운 소립자이다. 예를 들어, 빛의 속도로 움직여 거의 하루가 소요되는 거리에 해당하는 철속을 통과하여도 전혀 작용을 하지 않을 정도이다. 따라서, 무수히 많은 중성미자가 지구를 통과하지만 거의 대부분이 상호작용을 하지 않고 그대로 지나가 버린다. 중성미자는 우주폭발(Big Bang)과 함께 굉장히 많이 생성되었을 것으로 믿는데 현재에도 소멸되지 않고 1 cm3 우주공간 체적당, 대략 300개의 중성미자가 떠돌아다니고 있는 것으로 추정하고 있다. 태양중심으로부터 핵융합 반응에 의한 에너지의 90 % 이상이 1초당 2×1038개의 중성미자로 방사되는데, 따라서 매초에 1 cm2당 약 500억개의 중성미자가 지구를 통과하고 있다. 그 밖에도 지구상의 모든 핵발전소와 땅속의 방사능물질은 매초마다 약 1000억개의 중성미자를 방사하는 것으로 알려져 있다. 흥미롭게도, 우리의 몸 속에서도 하루에 3∼4억개의 중성미자가 20 mg의 Potassium 40(40K) 방사능붕괴로 나와서 우주 끝까지 날아가게 된다. 이처럼 우리 주위에는 아주 많은 중성미자가 광속도로 날아다니지만 인간의 오감이나 규모가 작은 검출기로서는 관측하기가 매우 어렵다.
전기적으로 중성이고 스핀이 1/2이며 다른 물질과 상호작용을 거의 하지 않는 중성미자는, 발견된 지 40년 이상이 지났지만 그것의 질량존재 여부는 아직도 해결되지 못한 물리학의 중요한 의문점이다. 이 입자의 질량이 아예 없던지, 있다면 현재의 실험 정확도로는 측정하기 힘들 정도로 질량이 아주 적은 것으로 알려져 왔다. 중성미자의 질량은 중성미자가 동반된 소립자의 붕괴에서 나머지 입자들의 운동량을 자세히 측정하여 에너지·운동량보존법칙을 적용함으로써 실험적으로 계산해낼 수 있다. 실험정확도의 한계 때문에 아주 적은 중성미자의 질량을 직접적으로 측정하기는 힘든 상황이므로, 현재로서는 단지 그것들의 질량이 실험 한계값보다 적다라고만 말할 수 있다. 지금까지 알려진 세가지 종류의 중성미자들(νe, νμ, ντ)의 질량은 다음과 같이 한계값만 알고 있을 뿐이다. 괄호 안에 주어진 붕괴현상들에서 측정된 에너지와 운동량, 그리고 보존법칙을 사용하여 각각의 중성미자 질량을 계산하게 된다. 참고적으로, 여기서 전자중성미자(νe)는 양성자 질량의 1억분의 1보다도 작음을 알 수 있다.