2026 노벨 물리학상, 남극 얼음 2km 아래 묻힌 망원경 아이스큐브에 돌아갔다

우주에서 가장 강력한 입자 가속기는 지구 위에 있지 않으며, 수십 년 동안 아무도 그 위치를 말할 수 없었다. 프랜시스 할젠(Francis Halzen)은 남극점 아래 1세제곱킬로미터의 얼음 속에서 그 가속기를 찾아 나섰다. 그 얼음에는 수천 개의 빛 센서가 연결되어 물리학에서 가장 수줍은 입자를 포착하도록 되어 있었다. 스웨덴 왕립과학원은 이제 그 검출기와 그 검출기가 발견한 것에 대해 그에게 노벨 물리학상을 수여했으며, 그는 상을 나누지 않아도 된다.

검출기의 이름은 아이스큐브(IceCube)이며, 태양계 너머 먼 곳에서 온 것으로 알려진 최초의 고에너지 중성미자를 포착했다. 중성미자는 전하를 띠지 않고 질량이 거의 없으며, 태양에서 온 약 650억 개의 중성미자가 매초 당신의 작은 손톱을 통과하면서 단 하나의 원자에도 닿지 않는다. 이들은 직선으로 날아가고 먼지, 가스, 자기장을 통과하기 때문에, 드물게 존재하는 우주 중성미자는 그들이 탄생한 격렬한 장소를 가리킨다. 이는 빛이 빠져나올 수 없는 영역을 들여다볼 수 있는 새로운 종류의 망원경을 만든다.

벨기에 태생의 물리학자이자 위스콘신대학교 매디슨 캠퍼스에 있는 할젠은 “아이스큐브 중성미자 관측소에 대한 결정적 기여와 천체물리학적 기원의 고에너지 중성미자 발견”으로 인용되었다. 그는 34년 만에 물리학상을 단독으로 수상한 첫 번째 인물이며, 1200만 스웨덴 크로나 전액을 받는다. “프랜시스 할젠은 국제 연구자 및 엔지니어 팀을 이끌어 환상적인 장비를 제공했습니다. 그의 인내와 과학적 비전은 새로운 종류의 천문학의 길을 열었습니다.”라고 노벨 물리학 위원회 위원장 마크 피어스(Mark Pearce)가 말했다.

우주 가속기를 찾으려면 빙하가 필요한 이유

우주 공간은 우주선(cosmic rays)으로 가득 차 있으며, 대부분은 수소 원자핵(양성자)이다. 일부는 지구의 어떤 실험실도 도달할 수 없는 에너지보다 최대 100만 배 높은 에너지로 도달한다. 그곳 어딘가에서 그들을 가속하는 무언가가 있으며, 아마도 폭발하는 별이나 초대질량 블랙홀의 제트일 것이다. 양성자는 범인을 밝혀낼 수 없다. 자기장이 이들이 오는 길을 휘게 하기 때문에, 대기에 도달할 때쯤이면 그 방향은 아무 의미도 없다.

양성자를 가속하는 동일한 과정이 중성미자도 만들어야 하지만, 자기장은 중성미자를 휘게 하지 않는다. 문제는 중성미자가 거의 어떤 물질과도 상호작용하지 않는다는 것이다. 드물게 원자핵에 충돌하면, 물질을 통과하며 희미한 푸른 빛을 내는 하전 입자가 생성된다. 투명한 매질에서는 센서가 그 섬광을 기록하고 중성미자가 어디서 왔는지 재구성할 수 있다. 우주 중성미자는 너무 드물어서, 소수만 포착하려면 엄청난 크기의 투명한 부피가 필요하다.

할젠의 아이디어는 남극 빙상이 이미 그 부피라는 것이었다. 깊은 곳은 영구적으로 어둡고, 해양 검출기를 방해하는 생명체가 없으며, 방사능이 낮고 지질학적으로 안정적이며 지진도 없다.

그들은 어떻게 해냈는가

계획은 실행 불가능해 보였다. 팀은 뜨거운 물 드릴(정교한 샤워 헤드처럼 작동)로 1km 이상 깊이의 구멍을 녹인 다음, 빛 센서가 달린 케이블을 물이 다시 얼기 전에 내려야 했다. 할젠은 각 센서를 거꾸로 된 전구에 비유한다. 빛을 받아 전기 신호로 바꾸는 것이다. 모든 건설은 11월에서 2월 사이의 짧은 남극 여름에 맞춰 이루어져야 했다.

첫 번째 시도인 더 작은 배열 AMANDA는 거의 아이디어를 무산시킬 뻔했다. 첫 번째 센서가 들어간 깊이에서 얼음은 모든 방향으로 빛을 산란시키는 작은 기포로 가득 차 있어, 섬광은 반 미터 이내에 방향을 잃었다. 더 깊이 내려가면 상황이 완전히 바뀌었다. 약 1,400미터 아래에서는 얼음이 너무 맑아서 중성미자 충돌에서 나온 빛이 300미터까지 이동할 수 있었으며, 이는 누구도 예상한 것보다 훨씬 더 먼 거리였다.

아이스큐브는 그 교훈을 확장했다. 86개의 케이블이 지표면 아래 1,450~2,450미터 사이에 125미터 간격으로 매달려 있으며, 각 케이블에는 17미터 간격으로 60개의 센서가 장착되어 총 5,160개의 센서가 있다. 계측된 얼음의 1세제곱킬로미터는 약 10억 톤의 무게이다. 이 관측소는 미국 국립과학재단(US National Science Foundation)이 관리하며, 14개국 58개 기관에서 약 450명이 협력하여 운영한다.

그것을 증명한 섬광들

아이스큐브가 보는 대부분은 잡음이다. 남극 상공의 대기에서 우주선에 의해 생성된 1억 개 이상의 뮤온이 매일 센서에 도달하며, 지구 반대편 대기에서 만들어진 수백 개의 중성미자가 지구 전체를 통과한 후 도착한다. 우주 신호를 분리하기 위해 팀은 검출기의 외곽층을 거부 차폐(veto shield)로 사용하고, 가장자리에서 멀리 떨어진 내부 코어에서만 켜지는 중성미자만 유지한다.

첫 번째 두 개의 확실한 사건은 더 높은 에너지의 입자를 찾는 과정에서 우연히 발견되었다. 각각 약 1페타전자볼트(1000조 전자볼트)를 축적했으며, 이는 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)가 각 양성자에 부여하는 에너지의 100배 이상이다. 이 두 사건은 팀이 동일한 2년 데이터에서 28개의 고에너지 중성미자를 발견하도록 이끌었고, 이후 더 큰 표본에서 대기 기원을 5.7 시그마의 통계적 신뢰도로 배제했다. 이는 물리학자들이 발견을 주장하는 데 사용하는 5 시그마 기준을 넘는 수치다.

이전의 중성미자 천문학과의 차이는 엄청나다. 레이먼드 데이비스 주니어(Raymond Davis Jr)와 고시바 마사토시(Masatoshi Koshiba)가 노벨 물리학상을 받은 중성미자는 태양과 16만 광년 떨어진 초신성에서 왔으며, 에너지는 약 10억 배 낮았다. 지금까지 아이스큐브가 포착한 가장 에너지가 높은 중성미자는 약 11.4 페타전자볼트로 추정된다.

상이 해결하지 못한 것

아이스큐브는 꾸준한 우주 중성미자 흐름이 존재한다는 것을 증명했지만, 대부분이 어디서 오는지는 아직 보여주지 못했다. 가장 유력한 후보들은 여전히 후보일 뿐이다. 하나의 중성미자는 TXS 0506+056이라는 플레어링 블레이저(blazar) 방향에서 도착했는데, 이 은하는 블랙홀이 지구를 향해 제트를 발사하는 은하이다. 과거 데이터를 검색한 결과 같은 지점에서 3.5 시그마의 초기 폭발이 발견되었지만, 발견 기준에는 크게 미치지 못한다.

지금까지 가장 강력한 단일 소스는 고래자리(Cetus)에 있는 4600만 광년 떨어진 활동 은하 NGC 1068(일명 M77)이다. 아이스큐브는 그 방향에서 4.2 시그마로 79개의 중성미자를 세었다. 노벨 위원회 자체 배경 자료에 따르면 이 증거는 아직 NGC 1068를 확인된 소스라고 부르기에는 충분히 강력하지 않다.

또한 공로의 문제도 있다. 아이스큐브는 수백 명의 과학자와 엔지니어의 작업이며, 물리학상은 개인에게만 수여될 수 있다. 위원회는 할젠을 개념을 고안하고 설계했으며 수석 연구원으로서 건설과 운영 전반을 이끈 사람으로 지목했다.

2026년 노벨 물리학상에 관한 자주 묻는 질문

2026년 노벨 물리학상은 누가 받았나요?

위스콘신대학교 매디슨 캠퍼스의 프랜시스 할젠이 단독으로 수상했습니다. 아이스큐브 중성미자 관측소 건설에 결정적인 역할을 한 점과 우주에서 온 고에너지 중성미자를 발견한 공로입니다. 그는 벨기에 티넨(Tienen)에서 태어났으며, 1200만 스웨덴 크로나 전액을 받습니다.

중성미자란 무엇인가요?

중성미자는 전하가 없고 질량이 거의 없는 아원자 입자입니다. 물질과의 상호작용이 너무 약해서 매초 수십억 개가 당신의 몸을 눈치채지 못하고 통과합니다.

아이스큐브는 어떻게 중성미자를 검출하나요?

중성미자가 얼음 속의 원자핵에 충돌하면, 이동하면서 희미한 푸른 빛을 방출하는 하전 입자가 생성됩니다. 지표면 아래 1,450~2,450미터에 묻힌 5,000개 이상의 센서가 그 섬광을 기록하며, 빛의 패턴이 입자의 에너지와 방향을 드러냅니다.

왜 남극에 중성미자 망원경을 건설했나요?

깊은 남극 얼음은 매우 맑고, 영구적으로 어둡고, 살아있는 유기체가 없으며 지질학적으로 안정적입니다. 또한 기존의 아문센-스콧 남극 기지(Amundsen-Scott South Pole Station)가 구멍을 뚫고 1km 너비의 검출기를 건설하는 데 필요한 물류, 전력 및 인력을 제공했습니다.

우주 중성미자는 어디에서 오나요?

아직 아무도 확실히 알지 못합니다. 아이스큐브는 우리 은하 평면에서 중성미자를 관찰했으며, 활동 은하 NGC 1068과 블레이저 TXS 0506+056을 유력한 소스로 지목했지만, 이들 중 어느 것도 전체 흐름의 대부분을 설명하지는 않습니다.

언제 일어났는지, 그리고 앞으로는

할젠과 그의 동료 존 G. 러너드(John G. Learned)는 1988년 폴란드의 한 회의에서 처음으로 남극 개념을 발표했다. 할젠은 1993년 크리스마스 이브에 노트북을 무릎에 올려놓고 첫 번째 AMANDA 케이블이 얼음 속에 들어갔다는 소식을 기다렸던 것을 기억한다. 미국 국립과학재단은 2002년 아이스큐브에 대한 자금을 승인했고, 검출기는 2011년에 완성되었으며, 우주 중성미자에 대한 첫 번째 증거는 2013년에 발표되었다. 은하수에서 온 고에너지 중성미자는 2023년에 뒤따랐다.

후속 프로젝트는 이미 구체화되고 있다: 지중해의 KM3NeT, 바이칼 호수의 Baikal-GVD, 밴쿠버 섬 앞바다의 P-ONE, 남중국해의 TRIDENT. 남극에서는 약 8세제곱킬로미터의 얼음을 포함할 IceCube-Gen2에 대한 계획이 시작되었다. 할젠은 12월 10일 스톡홀름에서 메달을 받을 예정이다.

참고문헌: IceCube Collaboration, “Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector,” Science, 2013. DOI: 10.1126/science.1242856

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