;)
가까스로 찾아낸 중성미자가 감쪽같이 사라져 버렸다
이 책은 유령입자라는 이름으로 탄생한 중성미자가 원자로의 방사선을 통해 그 모습을 드러내면서 시작한다. 중성미자가 세상에 존재하게 되면서 별의 탄생과 진화의 동력이 밝혀졌고, 우주를 구성하는 기본 입자와 힘들의 정체가 하나씩 드러났다. 있어도 없는 듯한 중성미자를 찾아내고, 알다가도 모를 듯한 중성미자의 성질을 밝혀내는 과정은 수수께끼의 연속이었다. 그러나 어쩌다 찾아낸 중성미자의 흔적은 새로운 우주를 열어 주었다. 입자를 부수는 약력이 태어났고, 수십억 년을 밝게 빛나는 태양의 원리가 밝혀졌고, 이제 반물질과 암흑물질의 정체가 드러날 것으로 기대되고 있다.
중성미자에는 여전히 감춰진 비밀이 많다. 일본과 미국을 비롯한 전 세계 각국은 엄청난 예산을 쏟아 부어 거대한 실험 장치를 건설하고 있다. 왜 이렇게 뛰어난 과학자들이 많은 돈을 들여 중성미자를 연구하는 걸까? 무엇을 알고 싶어하고, 어떤 방법으로 그것을 찾고 있을까? 그리고 우리는 무엇을 하고 있을까?
이 책은 유령입자라는 이름으로 탄생한 중성미자가 원자로의 방사선을 통해 그 모습을 드러내면서 시작한다. 중성미자가 세상에 존재하게 되면서 별의 탄생과 진화의 동력이 밝혀졌고, 우주를 구성하는 기본 입자와 힘들의 정체가 하나씩 드러났다. 있어도 없는 듯한 중성미자를 찾아내고, 알다가도 모를 듯한 중성미자의 성질을 밝혀내는 과정은 수수께끼의 연속이었다. 그러나 어쩌다 찾아낸 중성미자의 흔적은 새로운 우주를 열어 주었다. 입자를 부수는 약력이 태어났고, 수십억 년을 밝게 빛나는 태양의 원리가 밝혀졌고, 이제 반물질과 암흑물질의 정체가 드러날 것으로 기대되고 있다.
중성미자에는 여전히 감춰진 비밀이 많다. 일본과 미국을 비롯한 전 세계 각국은 엄청난 예산을 쏟아 부어 거대한 실험 장치를 건설하고 있다. 왜 이렇게 뛰어난 과학자들이 많은 돈을 들여 중성미자를 연구하는 걸까? 무엇을 알고 싶어하고, 어떤 방법으로 그것을 찾고 있을까? 그리고 우리는 무엇을 하고 있을까?
저자: 박인규
글을 시작하며
이 책의 주요 등장인물
| 1부 | 간신히 찾아내다
1장 생일 축하해요, 중성미자!
-미스터리의 베타붕괴
-에너지 보존은 잘못된 믿음이었나
- 새로운 입자가 필요하다
- 유령입자의 탄생
2장 세상을 지배하는 네 개의 힘
- 눈에 보이는 세상을 만드는 힘
작은 세상을 만드는 전자기력 | 큰 세상을 만드는 중력
- 눈에 보이지 않는 세상을 움직이는 힘
핵자를 묶는 강력 | 입자를 깨는 약력
- 약력의 탄생
페르미 상호작용 | 약력의 현대적 해석 | 입자와 힘, 그리고 표준모형
3장 모습을 드러낸 중성미자
- 스파이로 불렸던 천재
불가능을 꿈꾸었던 과학자 | 공산주의자라는 꼬리표 | 그는 정말 스파이였을까
- 기다림의 시작
원자로에서 쏟아져 나오는 중성미자 | 중성미자를 찾아낼 기막힌 방법 | 값싼 드라이클리닝 세제를 이용해 보자 | 이제 공은 한가한 신임 연구원에게
- 원자탄을 터트려라
원자탄은 중성미자 폭탄 | 원자탄이냐 원자로냐, 꿩 대신 닭으로 | 역베타붕괴를 찾아서
- 고스트 버스터즈
유령입자 탐험대 | 마침내 유령을 찾아내다
| 2부 | 감쪽같이 사라졌다
4장 중성미자는 태양에서도 나온다
- 태양의 엄청난 에너지
태양은 어떻게 빛을 내는가
- 별이 빛나는 이유
핵융합으로 헬륨을 만들다
- 지구로 날아오는 수많은 태양 중성미자
5장 그 많던 중성미자는 어디로 갔을까
- 집념의 사나이
계속되는 실패 | 그렇다면 태양 중성미자를 찾아 보자
- 태양을 가장 잘 아는 물리학자
지하 광산에 꾸린 실험실 | 이론과 실험이 다를 때, 우리는 문제라고 부른다
- 태양 중성미자의 수수께끼
새로운 실험이 필요하다 | 수수께끼의 실마리
6장 중성미자는 카멜레온
- 기본 입자들
21세기판 신 4원소설 | 또 다른 중성미자의 발견 | 입자와 반입자
- 진동하는 중성미자
여성과 남성의 정의 | 중성미자의 섞임 중성미자의 맥놀이 | 변신하는 중성미자
| 3부 | 정체를 알고 싶다
7장 천문학이 된 중성미자
- 중성미자는 어디에서 오는가
초신성에서 오는 중성미자 | 대기 중성미자
- 카미오칸데
대통일 이론 | 양성자 붕괴를 찾아라 | 중성미자 검출기로 다시 태어나다
- 400년 만에 찾아온 행운
중성미자 천문학의 탄생 | 행운은 준비하고 기다리는 사람에게 찾아온다
* 레이 데이비스와 고시바 마사토시 - 2002년 노벨상은 치열한 기다림의 보상
연구소에 출근하는 88세의 노학자 | 고시바의 선견지명
8장 중성미자의 변신을 목격하다
- 슈퍼-카미오칸데
세상에서 가장 큰 물탱크를 만들어라 | 땅속 깊이 들어가야 피할 수 있다 | 노벨상을 결정한 한 장의 그래프 | 땅 속에서 태양을 보다
- 서드베리중성미자관측소
무거운 물 | 중수, 중성미자, 중성흐름의 삼중주 기막힌 협상 | 태양 중성미자의 수수께끼를 풀다
* 도쓰카 요지와 허버트 첸 - 2015년 노벨상의 엇갈린 운명
살아있는 사람에게만 주어지는 노벨상 | 거대 실험을 이끈다는 행운 | 공동 연구에서 대표가 된다는 것 | 노벨상은 누구에게, 무엇에 주어지는가
9장 중성미자 전성시대
- 거대한 꿈을 좇는 사람들
하이퍼-카미오칸데 | 듄
- 다중신호 천문학
호수로, 바다로, 남극으로 | 새로운 천문학의 시대를 열다
- 남아 있는 질문들
디랙이냐, 마요라나냐 | 사라진 천재 | 중성미자 없는 베타붕괴 | 오른손잡이 중성미자도 있을까 | 비활성 중성미자를 찾아라
글을 마치며
참고 자료
그림 출처
중성미자 연구 주요 이정표
찾아보기
이 책의 주요 등장인물
| 1부 | 간신히 찾아내다
1장 생일 축하해요, 중성미자!
-미스터리의 베타붕괴
-에너지 보존은 잘못된 믿음이었나
- 새로운 입자가 필요하다
- 유령입자의 탄생
2장 세상을 지배하는 네 개의 힘
- 눈에 보이는 세상을 만드는 힘
작은 세상을 만드는 전자기력 | 큰 세상을 만드는 중력
- 눈에 보이지 않는 세상을 움직이는 힘
핵자를 묶는 강력 | 입자를 깨는 약력
- 약력의 탄생
페르미 상호작용 | 약력의 현대적 해석 | 입자와 힘, 그리고 표준모형
3장 모습을 드러낸 중성미자
- 스파이로 불렸던 천재
불가능을 꿈꾸었던 과학자 | 공산주의자라는 꼬리표 | 그는 정말 스파이였을까
- 기다림의 시작
원자로에서 쏟아져 나오는 중성미자 | 중성미자를 찾아낼 기막힌 방법 | 값싼 드라이클리닝 세제를 이용해 보자 | 이제 공은 한가한 신임 연구원에게
- 원자탄을 터트려라
원자탄은 중성미자 폭탄 | 원자탄이냐 원자로냐, 꿩 대신 닭으로 | 역베타붕괴를 찾아서
- 고스트 버스터즈
유령입자 탐험대 | 마침내 유령을 찾아내다
| 2부 | 감쪽같이 사라졌다
4장 중성미자는 태양에서도 나온다
- 태양의 엄청난 에너지
태양은 어떻게 빛을 내는가
- 별이 빛나는 이유
핵융합으로 헬륨을 만들다
- 지구로 날아오는 수많은 태양 중성미자
5장 그 많던 중성미자는 어디로 갔을까
- 집념의 사나이
계속되는 실패 | 그렇다면 태양 중성미자를 찾아 보자
- 태양을 가장 잘 아는 물리학자
지하 광산에 꾸린 실험실 | 이론과 실험이 다를 때, 우리는 문제라고 부른다
- 태양 중성미자의 수수께끼
새로운 실험이 필요하다 | 수수께끼의 실마리
6장 중성미자는 카멜레온
- 기본 입자들
21세기판 신 4원소설 | 또 다른 중성미자의 발견 | 입자와 반입자
- 진동하는 중성미자
여성과 남성의 정의 | 중성미자의 섞임 중성미자의 맥놀이 | 변신하는 중성미자
| 3부 | 정체를 알고 싶다
7장 천문학이 된 중성미자
- 중성미자는 어디에서 오는가
초신성에서 오는 중성미자 | 대기 중성미자
- 카미오칸데
대통일 이론 | 양성자 붕괴를 찾아라 | 중성미자 검출기로 다시 태어나다
- 400년 만에 찾아온 행운
중성미자 천문학의 탄생 | 행운은 준비하고 기다리는 사람에게 찾아온다
* 레이 데이비스와 고시바 마사토시 - 2002년 노벨상은 치열한 기다림의 보상
연구소에 출근하는 88세의 노학자 | 고시바의 선견지명
8장 중성미자의 변신을 목격하다
- 슈퍼-카미오칸데
세상에서 가장 큰 물탱크를 만들어라 | 땅속 깊이 들어가야 피할 수 있다 | 노벨상을 결정한 한 장의 그래프 | 땅 속에서 태양을 보다
- 서드베리중성미자관측소
무거운 물 | 중수, 중성미자, 중성흐름의 삼중주 기막힌 협상 | 태양 중성미자의 수수께끼를 풀다
* 도쓰카 요지와 허버트 첸 - 2015년 노벨상의 엇갈린 운명
살아있는 사람에게만 주어지는 노벨상 | 거대 실험을 이끈다는 행운 | 공동 연구에서 대표가 된다는 것 | 노벨상은 누구에게, 무엇에 주어지는가
9장 중성미자 전성시대
- 거대한 꿈을 좇는 사람들
하이퍼-카미오칸데 | 듄
- 다중신호 천문학
호수로, 바다로, 남극으로 | 새로운 천문학의 시대를 열다
- 남아 있는 질문들
디랙이냐, 마요라나냐 | 사라진 천재 | 중성미자 없는 베타붕괴 | 오른손잡이 중성미자도 있을까 | 비활성 중성미자를 찾아라
글을 마치며
참고 자료
그림 출처
중성미자 연구 주요 이정표
찾아보기
하나의 유령이 우주를 떠돌고 있다. 하나이면서 곧 셋인 이들은 ‘트리니티(삼위일체)다. 우리 눈에는 보이지 않지만, 이들은 우주 구석구석 어디에나 존재한다. 20세기 초 균형을 맞추려는 인간의 강박적 상상은 절박한 해결책(desperate remedy)을 만들었고, 이들은 인간이 상상할 수 있는 가장 작은 존재로 우리 앞에 모습을 드러냈다.
-유령에서 입자로,
중성미자를 찾는 사람들
중성미자의 발견은 예언의 실현이었다. 이 책은 중성미자가 세상에 태어난지 60주년을 기념하는 박수 소리에서 시작한다. 중성미자의 탄생에는 반짝이는 영감과 정교한 실험 외에 한 가지 요소가 더 필요했다. 아이의 탄생에 열달의 시간이 따라야 하듯, 유령에서 입자가 되는데도 오랜 기다림이 필요했다. 그날의 환호는 중성미자의 생일을 축하는 것이면서 동시에 중도에 포기하지 않고 중성미자에 일생을 바친 과학자의 노고를 기리는 것이기도 했다. 책의 처음이기도 한 이 장면은 이 책의 특징을 잘 보여 준다. 이 책은 중성미자가 존재할 것이라는 예언과 탄생, 중성미자의 종잡을 수 없는 특성을 밝히면서 알게된 놀라운 사실을 주로 다루지만, 그만큼 아니 그이상 중성미자라는 존재를 있게 한 많은 과학자의 삶과 죽음, 기발함과 끈질김, 명예와 안타까움을 전달하려고 노력한다.
이 책의 앞쪽에 있는 중성미자와 관련된 주요 인물을 보다 보면, 누구나 동의하는 ‘핵물리학의 아버지(어니스트 러더퍼드)’, ‘중성미자의 아버지(볼프강 파울리)’, ‘약력의 아버지(엔리코 페르미)’도 있지만, 우리에게 낯선 사람도 꽤 등장한다. 기발한 아이디어로 중성미자 연구의 씨앗을 뿌린 브루노 폰테코르보, 핵심 아이디어를 내놓고 정부와 사회를 설득해 예산을 확보하고 거대한 실험 장치를 구축해 실제 실험을 구현한 도쓰카 요지와 허버트 첸 같은 사람이 바로 그들이다. 조금만 더 오래 살았다면 아마도 이들 역시 노벨상 수상의 영광을 누려 우리들의 기억에 남았을 지도 모른다.
중성미자의 발견이 예언과 예언을 실현하려는 모험담이라면, 중성미자의 정체를 알아가는 과정은 애써 만든 이론을 지도 삼아 떠났지만 예상과 다른 실험 결과를 얻은 과학자들이 문제를 풀기 위해 도전하는 추리물이다. 이론이 틀렸는지 실험이 맞았는지 분명히 말할 수 없을 때, 혼란이 시작됐다. 바로 이 혼돈을 질서로 바꾸려는, "사라진 중성미자"를 찾으려는 사람들이 등장한다. 뉴스에서 이미지로 가끔 볼 수 있었던 카미오칸데와 서드베리관측소다. 그리고 몇년 후 이들이 "사라진 중성미자"를 찾아내자 세상은 노벨상으로 그 공을 인정해 주었다.
중성미자 연구의 업적 대부분은 노벨상을 받았다. 현재 진행 중인 수많은 중성미자 연구도 결과만 제대로 나오면 교과서를 새로 쓰고 노벨상을 받을 만하다고 알려져 있다. 우리도 지켜만 보고 있지는 않다. 오히려 그 대열에 적극 함께 하고 있다. 일본과 유럽, 미국보다 시작은 늦었지만, 빠르게 세계가 주목하는 실험 결과를 내놓고 있다.
“사라진 중성미자(missing neutrino)”가 왜 사라졌는지, 그리고 어떻게 찾아낼 수 있었는지 그 과정을 함께 따라가다 보면, 이런 감탄사가 절로 나온다. ”아니, 진짜 이게 가능하다고", "정말 대단하네, 어떻게 이걸 찾아 냈지.” 바로 과학책 읽는 진짜 재미의 향연이 여기에 있다.
이름만 무수히 들었던 입자의 표준모형, 물질을 구성하는 쿼크와 렙톤, 각종 입자와 힘을 구분하는 3개의 세대 구분과 같은 기본 지식들도 중성미자를 소개하는데 꼭 필요한 만큼 들어 있다. 많이 아는 사람이 꼭 잘 전달하는 게 아니라는 건 중고등학교만 졸업하면 누구나 안다. ‘어떻게 하면 핵심만 전해줄 수 있을까, 어떻게 하면 제대로 알려줄 수 있을까’를 끊임없이 고민한 사람만이 정확하고 알기 쉽게 알려줄 수 있다. 바로 노벨상 해설 방송에 저자가 그렇게 자주 초대되는 이유다.
- 죽은 사람을 기억하며
누구를 기억하고, 누구에게 경배를 바칠 것인가? 보통은 죽은 자를 기억하고, 살아 남은 사람에게 술잔을 올린다. 노벨상의 영광은 오직 산 사람에게만 주어진다. 많은 일을 했지만, 제대로 된 평가를 받기 직전 세상을 떠난다면 그 사람은 어떻게 될까? 업적이 대단해서 상이 주어져야 한다면, 그 상은 누가 받아야 할까? 보통은 이런 극단적인 경우가 생기지 않는다. 문제는 엄청난 예산과 거대한 실험 장치, 수많은 인력이 들어간 대형 프로젝트가 고려 대상일 경우다. 대개는 이런 실험 아이디어를 최초로 제안한 사람이 경배를 받을 일순위일 것이다.
중성미자를 연구하는 거대 프로젝트도 마찬가지다. 중성미자 연구는 하나의 주제에서 노벨상이 여럿 나왔고, 여전히 수많은 초대형 프로제트가 국경을 가로질러 지구 전역에서 진행 중이다. 중성미자를 연구하는 대형 프로제트인 일본의 슈퍼-카미오칸데와 캐나다의 서드베리중성미자곤측소(SNO)는 이들 중 일반인들에게 가장 많이 알려져 있다. 바로 몇년 전 “사라진 중성미자”를 찾아내 노벨상을 받았기 때문이다. 바로 이들은 ‘중성미자 진동’으로 알려진 현상을 실험으로 확인하면서 중성미자의 독특한 성질을 세상에 널리 알렸다. 허버트 첸과 도쓰카 요지는 각각 이 프로젝트에서 중요한 위치에 있고 핵심적인 역할을 했지만 둘다 세상을 일찍 떠났다.
- 이론과 실험이 다를 때, 우리는 문제라고 한다
1936년 한스 베테는 태양이 빛을 내는 원리를 밝혔다. 바로 ‘양성자-양성자 연쇄 반응’이라는 핵융합이 그 중심에 있었다. 그후 이를 실험적으로 입증하려는 다양한 시도가 나타났다. 핵융합을 지상에서 구현할 수 없으니 태양에서 나오는 다양한 방사선과 전자기파를 확인할 수밖에 없었다. 태양에서 나오는 중성미자만 찾아낸다면 태양이 밝게 빛나는 이유, 아니 태양을 넘어 우주의 모든 별들이 밝게 빛나는 이유와 별들이 어떤 경로로 태어나고 성장하고 사멸하는지 별의 일생과 진화 과정을 밝힐 수 있을 것 같았다. 중성미자가 다시 주목 받기 시작했다.
하지만 태양 중성미자의 실험값은 표준태양모형이라는 이론값과 잘 맞지 않았다. 이론에 따라 계산한 값보다 실험값이 항상 적었다. 그런데 그게 이상했다. 어떨 때는 많고 어떨 때는 적은 게 아니라 항상 적었고, 거의 근접하거나 아주 없거나 이런 극단적인 경우도 아니었다. 그냥 이론값의 1/3 내지 1/4 정도가 언제나 나왔다. 이건 실험 설계의 허점이든 이론의 오류이든 뭔가 잘못된 것이 분명했다. 찾았다고 생각한 중성미자가 이제 공중에서 사라져 버리고 있는 것이었다. 하지만 어디서 잘못 됐는지 알 길도 없었다. 이론값을 확인할 다른 이론도, 실험값을 검증할 다른 실험도 없었다. 중성미자가 사라졌다는 것만 분명할 뿐 다른 모든 것이 불분명했다. 혼란의 시작이었다.
해결의 실마리는 폰테코르보에게서 나왔다. 과연 이게 가능할까 싶지만, 중간에 정체를 바꾼다면 가능하지 않을까? 중성미자가 ‘닥터 지킬과 미스터 하이드’는 아닐까? 이제 사람들은 중성미자의 변신을 찾기 시작했다. 그리고 일본과 미국의 땅속에서 그 변신을 목격한다.
- 시베리아의 슈퍼맨
히틀러의 유대인 탄압은 당시 세계 최고 수준의 독일 과학자를 전 세계로 뿔뿔이 흩어 놓았다. 독일과 이탈리아의 수많은 과학자가 고향을 버리고 미국과 영국으로 떠났다. 브루노 폰테코르보도 그렇게 이탈리아를 떠났다.
2차 세계 대전이 끝나자 소련과 미국 사이에 냉전이 시작되었고, 다시 한 번 수많은 과학자들이 공산주의자라는 낙인이 찍혀 쫓겨났다. 있어도 되는 사람과 있으면 안 되는 사람으로 줄이 세워 졌다. 브루노 폰테코르보는 있으면 안 되는 사람이었다. 유대인이라 이탈리아에 남을 수 없어 영국과 캐나다로 떠돌았고, 공산주의자라는 낙인 때문에 원자력과 관련된 모든 연구에서 배제되었다.
신념, 생계, 납치, 그중 무엇이 폰테코르보를 소련으로 이끌었는지는 본인밖에 모르겠지만, 어쨌든 그는 소련에 정착했다. 젊은 날의 번뜩이는 아이디어는 사라지지 않았겠지만, 과학은 생각만으로 완성할 수 없었다. 원자력과 방사선을 이용한 중성미자 검출 실험은 실행되지 않았다. 30대 후반에 소련으로 망명한 그는 1950년대 미국의 동연배 물리학자들이 자신의 아이디어를 발전시켜 세상을 깜짝 놀라게 한 업적을 내놓는 걸 지켜보고 있었다. 폰테코르보에게 새롭고 기발한 생각은 많았지만, 정작 그 아이디어를 검증해서 성과로 연결시킨 사람은 모두 미국과 일본의 과학자들이었다. 원자력, 냉전, 빅 사이언스, 엄청난 예산, 기초과학, 이념의 차이. 미국과 소련이라는 두 나라는 서로 다른 길을 걸었고, 과학자들도 결코 그 자장에서 자유롭지 못했다.
“폰테코르보가 유대인이 아니었다면, 또는 공산주의자가 아니었다면, 그래서 미국에서 페르미와 함께 연구했다면”과 같은 온갖 가정을 해볼 수는 있다. 하지만 그건 ‘슈퍼맨이 미국 캔사스가 아니라 소련의 시베리아에 떨어졌다면’과 같은 상상의 결말과 비슷하지 않을까?
-유령에서 입자로,
중성미자를 찾는 사람들
중성미자의 발견은 예언의 실현이었다. 이 책은 중성미자가 세상에 태어난지 60주년을 기념하는 박수 소리에서 시작한다. 중성미자의 탄생에는 반짝이는 영감과 정교한 실험 외에 한 가지 요소가 더 필요했다. 아이의 탄생에 열달의 시간이 따라야 하듯, 유령에서 입자가 되는데도 오랜 기다림이 필요했다. 그날의 환호는 중성미자의 생일을 축하는 것이면서 동시에 중도에 포기하지 않고 중성미자에 일생을 바친 과학자의 노고를 기리는 것이기도 했다. 책의 처음이기도 한 이 장면은 이 책의 특징을 잘 보여 준다. 이 책은 중성미자가 존재할 것이라는 예언과 탄생, 중성미자의 종잡을 수 없는 특성을 밝히면서 알게된 놀라운 사실을 주로 다루지만, 그만큼 아니 그이상 중성미자라는 존재를 있게 한 많은 과학자의 삶과 죽음, 기발함과 끈질김, 명예와 안타까움을 전달하려고 노력한다.
이 책의 앞쪽에 있는 중성미자와 관련된 주요 인물을 보다 보면, 누구나 동의하는 ‘핵물리학의 아버지(어니스트 러더퍼드)’, ‘중성미자의 아버지(볼프강 파울리)’, ‘약력의 아버지(엔리코 페르미)’도 있지만, 우리에게 낯선 사람도 꽤 등장한다. 기발한 아이디어로 중성미자 연구의 씨앗을 뿌린 브루노 폰테코르보, 핵심 아이디어를 내놓고 정부와 사회를 설득해 예산을 확보하고 거대한 실험 장치를 구축해 실제 실험을 구현한 도쓰카 요지와 허버트 첸 같은 사람이 바로 그들이다. 조금만 더 오래 살았다면 아마도 이들 역시 노벨상 수상의 영광을 누려 우리들의 기억에 남았을 지도 모른다.
중성미자의 발견이 예언과 예언을 실현하려는 모험담이라면, 중성미자의 정체를 알아가는 과정은 애써 만든 이론을 지도 삼아 떠났지만 예상과 다른 실험 결과를 얻은 과학자들이 문제를 풀기 위해 도전하는 추리물이다. 이론이 틀렸는지 실험이 맞았는지 분명히 말할 수 없을 때, 혼란이 시작됐다. 바로 이 혼돈을 질서로 바꾸려는, "사라진 중성미자"를 찾으려는 사람들이 등장한다. 뉴스에서 이미지로 가끔 볼 수 있었던 카미오칸데와 서드베리관측소다. 그리고 몇년 후 이들이 "사라진 중성미자"를 찾아내자 세상은 노벨상으로 그 공을 인정해 주었다.
중성미자 연구의 업적 대부분은 노벨상을 받았다. 현재 진행 중인 수많은 중성미자 연구도 결과만 제대로 나오면 교과서를 새로 쓰고 노벨상을 받을 만하다고 알려져 있다. 우리도 지켜만 보고 있지는 않다. 오히려 그 대열에 적극 함께 하고 있다. 일본과 유럽, 미국보다 시작은 늦었지만, 빠르게 세계가 주목하는 실험 결과를 내놓고 있다.
“사라진 중성미자(missing neutrino)”가 왜 사라졌는지, 그리고 어떻게 찾아낼 수 있었는지 그 과정을 함께 따라가다 보면, 이런 감탄사가 절로 나온다. ”아니, 진짜 이게 가능하다고", "정말 대단하네, 어떻게 이걸 찾아 냈지.” 바로 과학책 읽는 진짜 재미의 향연이 여기에 있다.
이름만 무수히 들었던 입자의 표준모형, 물질을 구성하는 쿼크와 렙톤, 각종 입자와 힘을 구분하는 3개의 세대 구분과 같은 기본 지식들도 중성미자를 소개하는데 꼭 필요한 만큼 들어 있다. 많이 아는 사람이 꼭 잘 전달하는 게 아니라는 건 중고등학교만 졸업하면 누구나 안다. ‘어떻게 하면 핵심만 전해줄 수 있을까, 어떻게 하면 제대로 알려줄 수 있을까’를 끊임없이 고민한 사람만이 정확하고 알기 쉽게 알려줄 수 있다. 바로 노벨상 해설 방송에 저자가 그렇게 자주 초대되는 이유다.
- 죽은 사람을 기억하며
누구를 기억하고, 누구에게 경배를 바칠 것인가? 보통은 죽은 자를 기억하고, 살아 남은 사람에게 술잔을 올린다. 노벨상의 영광은 오직 산 사람에게만 주어진다. 많은 일을 했지만, 제대로 된 평가를 받기 직전 세상을 떠난다면 그 사람은 어떻게 될까? 업적이 대단해서 상이 주어져야 한다면, 그 상은 누가 받아야 할까? 보통은 이런 극단적인 경우가 생기지 않는다. 문제는 엄청난 예산과 거대한 실험 장치, 수많은 인력이 들어간 대형 프로젝트가 고려 대상일 경우다. 대개는 이런 실험 아이디어를 최초로 제안한 사람이 경배를 받을 일순위일 것이다.
중성미자를 연구하는 거대 프로젝트도 마찬가지다. 중성미자 연구는 하나의 주제에서 노벨상이 여럿 나왔고, 여전히 수많은 초대형 프로제트가 국경을 가로질러 지구 전역에서 진행 중이다. 중성미자를 연구하는 대형 프로제트인 일본의 슈퍼-카미오칸데와 캐나다의 서드베리중성미자곤측소(SNO)는 이들 중 일반인들에게 가장 많이 알려져 있다. 바로 몇년 전 “사라진 중성미자”를 찾아내 노벨상을 받았기 때문이다. 바로 이들은 ‘중성미자 진동’으로 알려진 현상을 실험으로 확인하면서 중성미자의 독특한 성질을 세상에 널리 알렸다. 허버트 첸과 도쓰카 요지는 각각 이 프로젝트에서 중요한 위치에 있고 핵심적인 역할을 했지만 둘다 세상을 일찍 떠났다.
- 이론과 실험이 다를 때, 우리는 문제라고 한다
1936년 한스 베테는 태양이 빛을 내는 원리를 밝혔다. 바로 ‘양성자-양성자 연쇄 반응’이라는 핵융합이 그 중심에 있었다. 그후 이를 실험적으로 입증하려는 다양한 시도가 나타났다. 핵융합을 지상에서 구현할 수 없으니 태양에서 나오는 다양한 방사선과 전자기파를 확인할 수밖에 없었다. 태양에서 나오는 중성미자만 찾아낸다면 태양이 밝게 빛나는 이유, 아니 태양을 넘어 우주의 모든 별들이 밝게 빛나는 이유와 별들이 어떤 경로로 태어나고 성장하고 사멸하는지 별의 일생과 진화 과정을 밝힐 수 있을 것 같았다. 중성미자가 다시 주목 받기 시작했다.
하지만 태양 중성미자의 실험값은 표준태양모형이라는 이론값과 잘 맞지 않았다. 이론에 따라 계산한 값보다 실험값이 항상 적었다. 그런데 그게 이상했다. 어떨 때는 많고 어떨 때는 적은 게 아니라 항상 적었고, 거의 근접하거나 아주 없거나 이런 극단적인 경우도 아니었다. 그냥 이론값의 1/3 내지 1/4 정도가 언제나 나왔다. 이건 실험 설계의 허점이든 이론의 오류이든 뭔가 잘못된 것이 분명했다. 찾았다고 생각한 중성미자가 이제 공중에서 사라져 버리고 있는 것이었다. 하지만 어디서 잘못 됐는지 알 길도 없었다. 이론값을 확인할 다른 이론도, 실험값을 검증할 다른 실험도 없었다. 중성미자가 사라졌다는 것만 분명할 뿐 다른 모든 것이 불분명했다. 혼란의 시작이었다.
해결의 실마리는 폰테코르보에게서 나왔다. 과연 이게 가능할까 싶지만, 중간에 정체를 바꾼다면 가능하지 않을까? 중성미자가 ‘닥터 지킬과 미스터 하이드’는 아닐까? 이제 사람들은 중성미자의 변신을 찾기 시작했다. 그리고 일본과 미국의 땅속에서 그 변신을 목격한다.
- 시베리아의 슈퍼맨
히틀러의 유대인 탄압은 당시 세계 최고 수준의 독일 과학자를 전 세계로 뿔뿔이 흩어 놓았다. 독일과 이탈리아의 수많은 과학자가 고향을 버리고 미국과 영국으로 떠났다. 브루노 폰테코르보도 그렇게 이탈리아를 떠났다.
2차 세계 대전이 끝나자 소련과 미국 사이에 냉전이 시작되었고, 다시 한 번 수많은 과학자들이 공산주의자라는 낙인이 찍혀 쫓겨났다. 있어도 되는 사람과 있으면 안 되는 사람으로 줄이 세워 졌다. 브루노 폰테코르보는 있으면 안 되는 사람이었다. 유대인이라 이탈리아에 남을 수 없어 영국과 캐나다로 떠돌았고, 공산주의자라는 낙인 때문에 원자력과 관련된 모든 연구에서 배제되었다.
신념, 생계, 납치, 그중 무엇이 폰테코르보를 소련으로 이끌었는지는 본인밖에 모르겠지만, 어쨌든 그는 소련에 정착했다. 젊은 날의 번뜩이는 아이디어는 사라지지 않았겠지만, 과학은 생각만으로 완성할 수 없었다. 원자력과 방사선을 이용한 중성미자 검출 실험은 실행되지 않았다. 30대 후반에 소련으로 망명한 그는 1950년대 미국의 동연배 물리학자들이 자신의 아이디어를 발전시켜 세상을 깜짝 놀라게 한 업적을 내놓는 걸 지켜보고 있었다. 폰테코르보에게 새롭고 기발한 생각은 많았지만, 정작 그 아이디어를 검증해서 성과로 연결시킨 사람은 모두 미국과 일본의 과학자들이었다. 원자력, 냉전, 빅 사이언스, 엄청난 예산, 기초과학, 이념의 차이. 미국과 소련이라는 두 나라는 서로 다른 길을 걸었고, 과학자들도 결코 그 자장에서 자유롭지 못했다.
“폰테코르보가 유대인이 아니었다면, 또는 공산주의자가 아니었다면, 그래서 미국에서 페르미와 함께 연구했다면”과 같은 온갖 가정을 해볼 수는 있다. 하지만 그건 ‘슈퍼맨이 미국 캔사스가 아니라 소련의 시베리아에 떨어졌다면’과 같은 상상의 결말과 비슷하지 않을까?
