생글생글

과학과 놀자

빅뱅 기억 품은 미지의 입자…우주의 비밀 풀릴까

매 순간 수십조 개의 작은 입자가 빛의 속도만큼 빠르게 우리 몸을 통과하고 있다. 하지만 우리는 이 입자의 존재를 전혀 느낄 수 없다. 별명이 ‘유령 입자’인 이 이상한 입자의 이름은 ‘중성미자’다.중성미자는 우주를 이루는 기본 입자 중 하나로, 우주에 광자(빛) 다음으로 많다. 입자물리학에서는 물질과 힘을 이루는 17개의 기본 입자와 이들의 상호작용을 ‘표준 모형’으로 설명한다. 표준 모형에 따르면 모든 물질은 ‘쿼크’와 ‘렙톤’이라는 두 종류의 기본 입자로 이뤄져 있다. 그리고 이들 사이의 힘(상호작용)을 매개하는 입자인 ‘보손’, 기본 입자들에 질량을 부여하는 ‘힉스 입자’가 있다. 중성미자는 이 중 렙톤에 속한다.힉스 입자처럼, 중성미자도 발견되기 전에 이론으로 먼저 예측된 입자다. 중성미자의 존재를 예측한 사람은 오스트리아의 이론물리학자 볼프강 파울리다. 1930년대, 물리학자들은 원자핵 속의 중성자가 양성자로 변하며 전자가 튀어나오는 베타 붕괴를 연구하고 있었다. 물리 법칙에 따르면, 반응 전후 각 물질의 질량과 에너지 총합은 보존돼야 한다. 그런데 아무리 측정해도 반응 전과 후의 에너지 총합이 보존되지 않았다. 이에 파울리는 베타 붕괴 시 쉽게 찾을 수 없는 미지의 입자가 만들어질 것으로 예측했다.이후 과학자들은 이 미지의 입자, 즉 중성미자를 검출하기 위해 노력했지만, 쉽지 않았다. 중성미자가 전하를 띠지 않고, 다른 물질과도 거의 반응하지 않기 때문이다. 그래서 과학자들은 중성미자를 간접적인 방법으로 찾기 시작했다. 그리고 마침내 1956년, 미국의 물리학자인 클라이드 카원과 프레더릭 라이