■ 기부소식 및 동정

한국인 최초로 국제적 권위의 부르노 폰테콜포상 수상

물리천문학부 김수봉 교수

물리천문학부 김수봉 교수(57)가 2017년 9월 19일(화) 오전 10시 30분(현지 시각) 러시아 핵물리국제공동연구소(JINR) 122차 과학이사회 시상식에 참여하여 부르노 폰테콜포상(이하 폰테콜포상)을 수여받았다.

올해 이 상은 가장 약한 중성미자 변환 세기를 발견한 한국 리노(RENO) 실험 책임자 김수봉 교수, 중국 다야베이(Daya Bay) 실험 책임자 Yifang 교수, 일본 T2K 실험 책임자 Nishikawa 교수가 공동 수상한다. 수상자는 2017년 2월 열린 JINR 과학이사회에서 만장일치로 결정되었다고 발표한 바 있다.

이 상은 중성미자의 변환을 처음 예언하고 중성미자의 대부인 부르노 폰테콜포(1914~1993)를 기념하여 1995년 제정되어 입자물리학의 뛰어난 업적에 수여되는 상이다. 1999년 이 상의 수상자인 데이비스는 2002년 노벨물리학상을, 2004년 수상자인 맥도날드는 2015년 노벨물리학상을 수여한 적이 있을 정도로 국제적 권위가 높은 상이다.

김수봉 교수가 책임자인 리노 실험은 국내 10개 대학이 공동으로 영광 한빛발전소 부근에 한국 최초의 중성미자 검출기 2대를 지하에 건설하여 2011년 8월부터 데이터 수집을 시작하여 2012년 4월 그 동안 유일하게 측정되지 못했던 가장 약한 중성미자 변환을 발견하였다. 이 결과는 물리학의 최고 권위지인 피지컬리뷰레터지(Physical Review Letters)에 발표되어 현재 약 1,600회 인용되었다.

폰테콜포가 1950년대 말 예언한 중성미자 변환을 1998년 일본 수퍼카미오칸데 실험 (김수봉 교수 연구진도 참여)에서 발견하여 2015년 카지타 교수가 노벨물리학상을 수상하였다. 2001년 태양 중성미자의 변환을 발견한 캐나다의 맥도날드 교수도 2015년 노벨물리학상을 공동 수상하였다. 이들은 세 종류의 중성미자들 사이의 변환 세기 중 두 종류의 변환을 측정하였는데 나머지 하나는 유독 약해 측정이 어려워 중성미자 변환이 발견된지 12년만에 한국의 리노 실험과 중국의 다야베이 실험에서 거의 동시에 측정되었다. 

세 종류의 중성미자 변환 세기가 모두 측정됨으로써 중성미자 변환이 완전히 확립이 되었다. 특히 가장 약한 중성미자 변환 세기가 측정되어짐으로써 그 동안 난제로 남아있던 것들을 해명할 수 있는 가능성을 열어 놓아 국제적으로 중성미자 변환 실험이 계획이 활발히 진행 중에 있다.

[연구업적 개요]

ㅇ 영광 원자력발전소 부근에서 물리학 최대 관심사인 가장 약한 중성미자 변환확률을 알아내는 검출설비 제작, 설치 및 가동 [이상 교육과학기술부의‘중성미자 검출설비 구축사업’으로 지원], 그리고 실험 수행 및 측정 연구 [과학기술정보통신부 한국연구재단의 선도연구센터인 ‘한국중성미자연구센터’를 통한 지원]를 수행 중에 있다.

ㅇ 1998년 일본 수퍼카미오칸데 실험에서 세 종류의 중성미자들 사이에 서로 변환이 일어남을 발견하여 중성미자 질량 존재를 입증하였고 (중성미자 변환은 질량의 존재를 의미함), 입자물리의 표준모형을 뒤흔들어 물리학계에 엄청난 파장을 일으켰다. 이 변환의 발견과 중성미자 질량 존재를 밝힘으로써 2015년 카지타 교수와 맥도날드 교수가 노벨물리학상을 수상하였다.

ㅇ 한 종류의 중성미자가 다른 종류의 중성미자로 얼마나 많이 변하는지를 ‘변환확률’이라고 함. 중성미자의 종류가 셋이므로 세 변환확률이 존재하는데 두 변환확률(~100%, ~80%)은 측정이 되었으나 나머지 하나는 유독 작아 오랫동안 측정되지 않은 상태로 입자물리학의 최대 골칫거리 중의 하나였으나, 2012년 한국의 리노 실험과 중국의 다야베이 실험이 발견하였다.

ㅇ 국내 리노 연구진은 2011년 8월부터 원자력발전소에서 방출되는 중성미자를 두 대의 지하 검출장비로 매일 24시간 쉼 없이 지속적으로 관측해 왔다. RENO(리노) 연구진은 2012년 4월, 세 종류의 변환확률 중 유일하게 측정되지 않았던 가장 약한 변환확률을 측정한 바 있다. 이 결과의 논문은 1600회 인용될 정도로 이 분야의 지평을 넓혔다고 볼 수 있다. 이 변환확률의 측정으로 우리나라는 이 분야에서 세계적 선도 그룹으로 도약했다.

[용어 설명]

1. 중성미자
○ 원자의 핵붕괴 혹은 핵융합 과정에서 방출되는 전기 전하가 없는 기본입자
○ 질량이 없는 입자로 오랫동안 여겨져 왔으나 최근 변환현상 관측으로 질량의 존재가 밝혀졌으나(2015년 노벨물리학상) 아직도 질량을 측정하지 못함
○ 질량이 워낙 작아 거의 빛의 속도로 움직이며 물질과 상호작용이 거의 없어 ‘유령입자’라 할 정도로 오랫동안 물리학자들을 골탕 먹인 입자임 
○  기본입자로서 전자중성미자, 뮤온중성미자, 타우중성미자 세 종류가 존재

2. 중성미자 변환확률
○ 2015년 노벨물리학상 수상자인 카지타 교수와 맥도날드 교수의 연구진이 세 종류의 중성미자들 사이에 서로 변환이 일어남을 발견하여 중성미자 질량 존재를 입증하였고, 입자물리의 표준모형이 수정되어야 함을 밝혀냄. 

○ 한 종류의 중성미자가 다른 종류의 중성미자로 얼마나 많이 변하는지를 ‘변환확률’이라고 함. 중성미자의 종류가 셋이므로 세 변환확률이 존재하는데 두 변환확률(~100%, ~80%)은 측정이 되었으나 나머지 하나는 유독 작아 오랫동안 측정되지 않은 상태로 입자물리학의 최대 골칫거리 중의 하나였으나, 2012년 한국의 리노 실험과 중국의 다야베이 실험이 발견함.

3. 원자로 중성미자
○ 원자력발전소에서는 우라늄 연료의 핵 분열에 의해 엄청난 열에너지와 중성미자를 방출한다. 매초 1조의 10억배나 되는 숫자의 중성미자가 빛의 속도로 나와 물질과 거의 반응하지 않고 우주 끝으로 퍼져 나간다.