우주의 근본이 되는 힘 발견 - 우주 탐사에 활용되는 진공 기술

우주의 근본이 되는 힘 발견 - 우주 탐사에 활용되는 진공 기술

SNOLAB의 물리학자들은 지표면에서 2,100미터 아래 위치한 곳에서 우주를 구성하는 요소이자 매우 작고 검출이 어려운 중성입자를 찾고 있습니다.

중성입자는 전기적으로 중성인 기본입자로, 빛의 속도로 공간을 가로지릅니다. 전하를 띠지 않는 중성미자는 다른 물질과 거의 상호작용하지 않기 때문에 아무런 방해를 받지 않고 물질을 통과할 수 있습니다. 따라서 중성입자는 아주 먼 거리를 이동할 수 있으며 지구에서 가장 멀리 떨어져 있는 은하계에서 출발하여 지구에 도달할 수 있습니다. 하지만 쉽게 포착하기 어려운 중성입자의 특징 때문에 중성입자에 대한 연구는 특히 어렵습니다.

빛의 반짝임을 사용한 감지

극소의 소립자를 포착하기 위하여 연구자들은 지하로 내려갔습니다. SNOLAB 물리학 연구소는 캐나다 온타리오 주 서드베리 시에 있는 니켈 광산에 위치하고 있습니다. 이곳 연구소의 과학자들은 5,000평방미터에 달하는 클린룸을 사용합니다. 두께가 2,100미터 정도인 여러 겹의 암석층이 연구소를 우주방사선으로부터 지켜주며, 이러한 방어막을 뚫을 수 있는 것은 중성입자뿐 입니다. 연구소 한가운데에는 중성입자 검출기가 위치하고 있으며, 이 검출기는 직경 12미터의 원형 아크릴 탱크로 이루어져 있습니다. 

현재 진행되고 있는 SNO+ 실험에 사용되는 이 탱크에는 탄화수소 LAB(Linear Alkylbenzene)로 구성된 특수 액체 800톤이 담겨 있습니다. 전리 방사선이 이 용액을 통과하면 자외선이 방출됩니다. 이 자외선은 용액에 용해되어 있는 염색제를 자극하며, 그 결과 형광 파란색이 나타납니다. 용액을 통과하면서 상호작용이 가능할 정도로 용액의 원자핵에 중성입자가 가까이 지나가면서 작은 섬광을 발생시킵니다. 이렇게 발생된 빛은 탱크 주변을 둘러싸고 있는 고정밀 센서에 탐지됩니다.

원자보다도 작은 입자인 중성입자를 탐지하기 위해서는 불필요한 모든 물질이 LAB에서 제거되어야 하며, 이 작업을 위해 진공 기술이 사용됩니다. 진공 펌프를 사용해 세척 시스템 내에 20밀리바 정도의 부압이 형성됩니다.

238도에 달하는 온도에서 다단계 증류 공정을 거치게 되면 액체에 남아있던 극미량의 중금속까지 제거됩니다. 다음으로 수증기와 질소가 일반적으로 Stripper Column이라고 불리는 용액 속을 진공상태로 통과합니다. 이 과정을 통해 가스 상태의 라돈, 크립톤, 아르곤, 산소가 제거되며 액체에 포함된 물 성분이 조정됩니다. 진공 펌프의 공기 배출구에는 냉각기가 설치되어 수증기를 안정적으로 회수합니다. 세척 공정에서 배출되는 가스는 이곳 배출구에서 냉각 및 액화되어 수집용기에 모입니다.

중성미자 연구에 노벨상 수상 

새롭게 진행된 SNO+ 실험에서는 기존의 SNO 프로젝트에서 탱크에 채워지던 중수가 LAB으로 교체되었습니다

이 첫번째 실험으로, SNO 실험의 수장인 아서 맥도날드(Arthur McDonald)는 2015년 노벨 물리학상을 수상했습니다

아서 맥도날드는 1999년부터 2006년까지 중수를 사용하여 태양에서 핵융합을 통해 생성되는 중성입자를 연구했습니다. 하지만 연구 결과는 중성입자가 질량이 없을 것이라고 가정했던 물리학 표준 모델의 예측과는 달랐습니다. 

새롭게 발견된 차이점은 중성입자 진동이라는 이론으로 설명할 수 있었습니다. 중성입자의 세 가지 형태(전자, 뮤온, 타우 중성미자)는 서로 다른 형태로 변형될 수 있습니다. 하지만 이러한 현상은 얼마나 작던 간에 중성입자에 질량이 있어야만 발생할 수 있습니다.

중성입자와 LAB의 상호작용 결과 중수를 사용한 기존 실험에 비해 상당히 많은 양의 빛이 발생했습니다. 새롭게 수행되는 조사에서는 주로 중성입자 없이 지속적으로 발생하는 이중베타붕괴를 연구하는 것을 목표로 삼았습니다. 한편 액체 LAB를 사용해 PEP(proton-electron-proton) 태양 중성입자를 검토하는 것도 가능합니다

또한 지구의 방사능 붕괴 과정에서 발생하는 지구 중성입자(geo-neutrino) 및 핵분열 반응에서 발생하는 원자로 중성입자를 탐지해내는 것도 연구 목표 중 하나입니다. 우리 은하계 내에 초신성이 있다는 가정 하에 초신성 중성입자를 탐지할 수도 있습니다. 연구자들은 중성입자 측정을 통해 우주를 구성하는 근본적인 힘을 좀 더 자세히 알 수 있게 되길 바라고 있습니다.

2012년부터 Snolab에서는 Busch의 진공 기술을 사용하고 있습니다.


'World of Vacuum' 뉴스레터를 구독하세요.
뉴스레터를 구독하고 World of Vacuum 에서 전하는 최신 소식을 받아보시기 바랍니다.

구독하기

추가 문의사항이 있습니까?
바로 연락 주십시오 (Busch 대한민국):
+82 (0)31 645 2700 문의하기