(성공사례) 유럽의 심해 망원경, 우주의 기원을 추적하다

지중해 해저에 설치된 유럽의 KM3NeT 중성미자 망원경, 사상 최고 에너지 중성미자 관측 성공

2023년 2월 13일, KM3NeT는 지금까지 탐지된 것 중 가장 높은 에너지를 가진 중성미자를 포착하였으며, 이는 기존 기록의 30배 수준으로, 우주의 극한 현상에 대한 새로운 단서를 제공할 것으로 기대
중성미자는 1930년대 이론적으로 예측되어 수십 년 후 실험적으로 발견된 전하가 없고 질량이 거의 없는 아원자 입자로, 우주에서 가장 많지만 가장 탐지하기 어려운 존재
행성과 별을 통과하면서도 흡수되지 않는 ‘유령 입자'로 불리며, 매초 수십억 개의 중성미자가 인체를 통과하지만 흔적을 남기지 않고, 질량이 거의 없어 물질과 상호작용하지 않음
이러한 특성 덕분에 중성미자는 우주 전역을 거치며 흡수되지 않은 ‘순수한 정보'를 전달할 수 있어, 초신성 폭발·블랙홀·은하 충돌 등 극한 현상을 연구하는 핵심 도구로 활용됨
드물게 중성미자가 원자핵과 충돌하면 2차 입자들이 방출되며, 얼음이나 물처럼 투명하고 밀도가 높은 물질에서는 이때 희미한 청색의 ‘체렌코프 복사'가 발생. KM3NeT 센서는 바로 이 빛의 신호를 포착하도록 설계됨
KM3NeT는 유럽연합과 각국 연구기관이 공동 구축한 유럽 대표 대형 연구 인프라 중 하나로, 지중해 심해에 세워진 거대 3D 망원경이며 두 개의 심해 탐지소*로 구성됨

* ARCA(Astroparticle Research with Cosmics inthe Abyss): 시칠리아 해안 인근, 우주 기원의 고에너지 중성미자 탐지 목적

* ORCA(Oscillation Research with Cosmics in the Abyss): 프랑스 툴롱 인근, 중성미자의 질량과 진동 연구 수행

두 시설 모두 수백 개의 유리 구체(농구공 크기)에 초감도 광센서를 내장한 수직 구조물로 구성되어 있으며, 바다 밑바닥에서 최대 1km 높이로 세워진 ‘해저 마천루' 형태
현재 1,000여 개 모듈이 설치되어 있으며, 2027년까지 총 6,000개로 확장 예정
네덜란드 국립핵물리연구소(Nikhef)의 Heijboer 박사는 “처음엔 바다 밑에서 이런 입자를 잡겠다는 발생이 무모한 생각처럼 들렸지만, 지금은 그것이 현실이 됐다"고 언급
2023년 탐지된 중성미자 KM3-230213A는 220 페타전자볼트(PeV)의 에너지를 기록, 단일 입자로서는 거의 상상할 수 없는 수치
연구진은 해당 중성미자의 기원을 밝히기 위해 정밀 분석을 진행 중이며, 후보로는 초대질량 블랙홀이 에너지를 분사하는 활성은하핵, 우주선이 광자와 충돌해 생성된 우주기원 중성미자가 제시됨
Heijboer 박사는 “향후 몇 달 안에 이 입자의 이동 방향을 훨씬 더 정확하게 측정할 수 있을 것"이라고 밝힘
ORCA 관측소는 중성미자가 세 가지 형태(전자형·뮤온형·타우형) 사이를 변환(진동)하는 현상을 연구하며, 이러한 진동 특성은 중성미자의 질량 순서를 밝히는 핵심 단서로, 입자물리학의 표준모형(Standard Model)의 미해결 과제 중 하나
프랑스 국립과학연구센터(CNRS) Coyle 박사는 “중성미자의 질량 순서를 알아야 중성미자와 반중성미자의 차이를 이해할 수 있으며, 이는 왜 우주에 물질이 반물질보다 많은지를 설명하는 중요한 단서가 된다”고 설명
특히 중성미자가 자신의 반입자일 가능성(자기반입자성)을 검증하는 것은 우주가 ‘무’가 아닌 ‘무언가'로 존재하는 이유를 밝히는 중요한 열쇠
KM3NeT는 2006년 EU 설계연구 지원을 기반으로 시작되어, 유럽 각국의 공동투자와 기술력으로 현실화됨
지중해 심해의 수천 개 센서가 감지하는 미세한 빛의 섬광 하나하나가 우주의 탄생과 존재의 이유를 설명할 수 있은 단서가 될 수 있음