제1장 수수께끼의 중성미자

태양이나 다른 별들 심지어 우리 우주를 탄생시켰던 대폭발(big bang)로부터 방사된 작은 입자들이 우주공간의 모든 방향으로 전파되고 있다. 지금 현재도 이 수 천 개의 입자들이 특별한 반응도 없이 우리 각자를 통과하고 있다.
중성미자(neutrino)라 불리는 이들 입자들은 어떤 형태의 물질과도 거의 상호작용을 하지 않아 수 백 광년[주석: 빛이 1년 가는 길이] 두께의 납을 통과할 정도이다. 중성미자와 관련된 우리의 지식과 경험에 비추어 중성미자가 현 우주의 작동에 크게 어떤 영향을 미칠 것으로 보이지는 않는다. 그러나 우주 대폭발 당시에 형성되었던 중성미자들은 우주를 구성하는 물질 생성에 매우 큰 영향을 미쳤고 심지어는 물질의 운명까지도 바꿀 수 있는 것으로 생각된다.

이런 가능성들은 1930년대에 중성미자의 존재를 예견했던 물리학자들은 생각도 할 수 없던 것이었다. 이들 과학자들은 단지 자연의 법칙과 물질의 특성을 이해하기 위한 깊은 사고를 하였으며 중성미자에 대한 연구가 그들의 연구에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대했을 것이다.

근대 물리학자들도 아주 오래전 고대인들에 의해 제기되었던 의문을 계속 가지고 있었다. 고대 그리스와 이집트 사람들은 그들 주위의 세계의 물리적 구조를 설명하기 위하여 놀라울 정도로 정확한 개념을 주장했었다. 기원전 약 430년 전에 살았던 뛰어난 그리스 철학자이며 수학자였던 Democritus는 모든 물체는 -그리스어로 “더 이상 나눌 수 없다”는 의미의 아토미스(atomis)에서 유래한- “원자(atom)”로 구성된다고 생각하였다. 그가 의미했던 것은 물체를 이루는 모든 물질을 계속 분할하여 더 이상 나눌 수 없는 상태인 물질의 기본적인 구성단위였다. 이런 생각은 얼핏 타당하게 들리지만, 고대 철학자들은 기술 부족 때문에 그들의 예측이 옳다는 것을 입증할 수 있는 실험을 할 수 없었다. 그들은 오늘날 과학자들의 연구 방법과는 거의 반대 관점인 실험적 증명이 없는 단순한 명상적 사고에 의해 자연을 이해하려 했었다.
오늘날 우리는 모든 물질이 가장 가벼운 수소부터 현재까지 알려진 가장 무거운 원소인 마이트네륨(meitnerium)에 이르는 원자들로 이루어진다는 것을 잘 알고 있다. 이 서로 다른 원자들은 우리가 보고 있는 우리 주위 우주에 있는 다양한 물체들의 기반을 이룬다. 일반적으로 원자의 연구와 물질의 특성에 대한 연구 분야가 물리학인 것이다. 그중 가장 기본적인 연구 분야가 원자핵과 입자물리이며, 필자처럼 원자 그 자체를 이루는 것이 무엇인가를 이해하려 노력하는 연구자들의 영역이다. 지난 세기 말 경에, 원자를 이루는 것이 무엇인가에 대한 충분한 해답을 얻을 만큼 과학자들의 실험적 기술은 발전하였다. 그 후, 원자는 단지 소수의 구성요소인 아원자 입자(subatomic particle)[주석: 원자를 이루는 구성 입자]로 이루어진다는 것이 알려졌다. 이들 아원자적 구성요소는 전자, 양성자 및 중성자이다.

근래의 연구는 이들 세 가지 입자들에 대한 것보다는 궁극적인 기본 입자인 쿼크(quark)와 경입자(lepton), 그리고 이들 기본 입자의 상호작용과 관계되는 몇몇 입자들에 대해 이루어지고 있다. 일반적인 물질[주석: 단지 두 개의 쿼크와 전자로 구성됨]과 달리 모든 물질은 이들 소수의 기본입자들로 이루어진다. 즉, 우리 주변의 일반물질들은 단지 두 종류의 쿼크와 하나의 경입자(전자)로 구성되나, 우주의 다른 부분-고에너지 우주선, 폭발하는 별 그리고 은하의 핵 등-에 존재하는 특이한 물질을 설명하기 위해서는 모든 종류의 쿼크와 경입자들이 필요하다. 여기 지구상에서 과학적 연구에서는 가속기를 사용하여 이런 특이한 물질들을 생성시킨다.

중성미자는 이들 기본입자들 중에서도 가장 이해하기 힘든 입자 중의 하나이다. 중성미자는 전자와 상당히 유사하나 전하를 가지지 않고 질량이 거의 없다. 이러한 특징들이 중성미자를 더욱 수수께끼 입자처럼 보이게 하는 것이다. 상당한 질량을 갖는 중성입자나 어떤 크기의 질량을 갖는 하전입자들도 그들이 물질과 만나면 상호작용을 한다. 그러나 중성미자는 마치 물질이 있다는 것을 모르기라도 한 것처럼 현대의 가장 정교한 검출기조차도 통과한다. 중성미자의 수수께끼 같은 이 특성 때문에 이 입자가 처음 제안되었을 때 그 존재에 대한 격렬한 논쟁이 발생하였다. 앞으로 알겠지만 결과적으로 물리학자들은 직접 이 수수께끼 같은 입자를 실험적으로 검출하지 않고 그 존재를 입증하려 했었다.

심지어 중성미자의 존재가 입증된 이후에도 실험실에서 이 입자를 관측하기까지 30년 이상의 시간이 걸렸으며, 더구나 관찰된 그 입자가 중성미자 그 자체가 아니고 중성미자와 상호작용에서 생성되었던 입자였다. 현재까지도 중성미자가 질량을 보유하느냐에 대한 논쟁이 지속되고 있다[주석: 현재는 중성미자 진동이라는 간접적인 실험을 통하여 중성미자가 질량을 가지고 있다고 알려져 있다].