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- 중성미자 포함 대부분 입자는 보이지 않게, 아무 영향 미치지 않고 우리 뚫고 지나간다.
- IceCube 중성미자 검출기는 남극에 있다. 2009년 부터 방사선 근원 탐색 중
- 고감도 검출기는 빙상 깊숙이 최대 2.5km까지 도달.
- "중성미자의 에너지와 방향을 계산하는 데 30초가 걸린다"

중성미자: 필사적인 발신자 추적
아이스큐브(IceCube) 관측소팀, 우주 방사선의 근원을 찾는 방법

남극 얼음 깊숙한 곳에는 매우 특별한 관측소가 있다. 바로 아이스큐브 중성미자 검출기다. 천문학자들은 이 관측소를 이용해 고에너지 우주 방사선의 기원을 포함한 우주의 근본적인 미스터리를 풀려고 한다. 하지만 쉬운 일은 아니다.

우리는 인지하지 못하는 사이에 우주 입자의 폭격을 받고 있다. 중성미자를 포함한 대부분의 입자는 눈에 보이지 않게, 그리고 아무런 영향도 미치지 않고 우리 속을 뚫고 지나간다. 하지만 바로 이러한 "유령 입자"가 연구자들에게 기본적인 물리 과정과 여전히 미스터리로 남아 있는 고에너지 우주 방사선의 근원에 대한 중요한 정보를 제공할 수 있다. 

▲ 남극의 얼음 아래 깊숙한 곳에서 IceCube 중성미자 관측소의 탐지기가 우주 중성미자와 그 근원을 찾고 있다. © IceCube/NSF

이러한 이유로 남극에 있는 아이스큐브와 같은 중성미자 관측소는 더욱 중요하다. 루르 대학교 보훔의 연구원들은 아이스큐브의 데이터 분석에 참여하고 있다. 아이스큐브는 어떻게 작동할까? "유령 입자"는 그 근원에 대해 무엇을 알려줄까?

1. 우주에서 남극까지: IceCube 관측소의 중성미자 위치 추적

IceCube 중성미자 검출기는 남극에 있다. 고감도 검출기는 빙상 깊숙이 최대 2.5km까지 도달한다. 2009년부터 그곳의 연구원들은 이 검출기를 이용해 우주 방사선의 근원을 탐색해 왔다. 이 방사선은 전자, 양성자, 중성미자와 같은 다양한 고에너지 입자의 형태로 지구를 끊임없이 폭격한다. 이 방사선은 어디에나 존재한다. 하지만 어떤 천체가 이 방사선을 방출하는지에 대해서는 불확실하다.

우주 메신저로서의 유령 입자

중성미자는 이 방사선의 근원을 밝히는 데 도움을 주기 위해 고안되었다. 유령 입자라고도 불리는 데는 이유가 있다. 중성미자는 상호작용 없이 광대한 우주와 물질을 관통할 수 있다. 이러한 특성은 우주 방사선의 근원을 찾는 데 이상적인 후보다. 어떤 장애물이 있든, 근원지에서 지구까지 거의 직접 이동하기 때문이다.

▲ 중성미자는 지구 주변을 거의 눈에 띄지 않게 지나가며, 원자와 충돌하는 경우는 극히 드물다. 남극 빙하에서 이러한 현상이 발생하면, 2022년의 이 고에너지 우주 중성미자처럼 IceCube 관측소의 광센서에 신호의 흔적을 남긴다. © IceCube Collaboration/NSF

따라서 이러한 유령 같은 특성은 큰 축복이자 동시에 큰 도전이기도 하다. 중성미자는 지구상의 다른 입자와 상호작용할 때만 측정될 수 있다. IceCube 팀은 수년간 이러한 현상을 인내심을 갖고 기다려 왔다. 중성미자가 얼음과 상호작용하면 뮤온이라는 새로운 입자가 생성될 수 있다. 뮤온은 얼음을 통과하면서 희미한 푸른빛을 남기는데, 이것이 바로 감광성 IceCube 검출기가 측정할 수 있는 것이다.

고유한 대기에서 오는 훼방꾼

"엄밀히 말하면, 우리는 이러한 빛의 궤적을 초당 수천 번 목격한다"고 보훔 루르 대학교(RUB)의 다중 파장 및 다중 메신저 천문학 그룹 책임자인 안나 프랑코비악(Anna Franckowiak)은 설명한다. "이런 방식으로 검출하는 입자 대부분은 우리 대기에서 생성되며 우리가 찾는 입자가 아니다." 오히려 우리 바로 앞에서 생성되는 이러한 입자들은 연구자들이 멀리 떨어진 우주 방사선원의 전달자를 찾는 것을 더욱 어렵게 만든다. 이러한 입자들은 측정 결과에서 제외되어야 한다.

▲ 핵심은 광검출기가 포착한 우주 중성미자 신호와 대기나 기타 간섭원에서 발생하는 중성미자를 구별하는 것이다. © Jamie Yang/ IceCube Collaboration

IceCube 팀은 따라서 지구 대기가 아닌 우주에서 온 고에너지 중성미자를 특별히 찾고 있다. 연구원들은 얼음에서 빛의 궤적을 검출할 때 세 가지를 계산한다. 상호작용을 유발한 입자의 에너지, 입자가 발생한 방향, 그리고 우주에서 온 중성미자일 확률이다.

실시간 분석

Anna Franckowiak의 팀은 최근 몇 년 동안 이 알고리즘을 지속적으로 개선해 왔으며, 그 속도도 더욱 빨라졌다. "중성미자의 에너지와 방향을 계산하는 데 30초가 걸린다"고 그는 설명했다. "그러면 즉시 전 세계에 정보를 전파할 수 있다." 루르 대학교와 파리-사클레 대학교가 협력하여 개발한 "Astro-COLIBRI"와 같은 특수 앱을 사용하면 관심 있는 사람들은 중성미자 감지 알림을 받고 해당 방향으로 망원경을 기울일 수 있다.

프랑코비악 팀이 전송한 신호는 기계가 읽을 수 있기 때문에, IceCube 팀이 경보를 울리면 적합한 망원경이 자동으로 정렬될 수도 있다. 천문학자들은 이 망원경을 사용하여 중성미자가 발생한 하늘 영역을 탐색하여 입자의 근원일 가능성이 있는 특히 강력한 천체를 찾는다.

▲ ICECube 중성미자 검출기의 구조. © IceCube Collaboration

두 단계로 위치 결정

"이러한 천체들은 잠깐만 번쩍일 수 있기 때문에 우리 시스템이 실시간으로 작동하는 것이 매우 중요하다"고 프랑코비악은 강조했다. 예를 들어, 질량이 큰 별이 폭발하는 초신성은 우주 방사선의 원천이 될 수 있다. 그러나 이러한 사건은 에너지가 매우 강할 뿐만 아니라 빠르게 끝난다.

보훔 연구진은 매우 빠른 알고리즘 외에도 두 번째 계산 방법을 사용한다. 이 방법은 기존 방법보다 약 1~2시간 느리지만 4~5배 더 정확하다. 따라서 방향 결정은 두 번째 단계에서 수행된다. "더 정확한 데이터를 확보하면 원래 중성미자 보고서에 대한 업데이트를 보낼 것이다"고 루르 대학교 보훔(RUB)의 앙겔라 자가렐리(Angela Zegarelli)이자 IceCube 재구성 연구팀 책임자는 설명했다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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