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중성미자를 찾아서 (2)
작다는 것은 없다는 것이 아닙니다. 반응 확률이 너무 낮아 절대로 발견될 수 없을 것 같았던 중성미자를 실험실에서 찾아낼 수 있을 거라고 생각한 최초의 사람은 바로 폰테코르보였습니다. 그리고 처음으로 중성미자 탐색 실험을 계획했던 사람도 그였습니다. 그러나 불행히도 그가 제안했던 실험은 폰테코르보가 소련으로 망명하면서 빛도 보지 못한 채 역사 속으로 사라질 뻔했습니다. 왜냐하면 그가 동경했던(?) 소련이 그에게 중성미자 실험을 허락하지 않았기 때문입니다. 사장될 위기에 처했던 그의 실험은 아이러니하게도 소련의 적국이었던 미국에서 되살아납니다. 그와는 한 살 밖에 차이 나지 않은 동시대 인물 레이먼드 데이비스가 바로 폰테코르보의 실험에 다시 생명을 불어넣은 사람입니다.
캐나다에선 1947년에 처음으로 원자로가 만들어집니다. 쵸크리버 연구소에 건설된 NRX(National Research eXperimental)라 불리는 원자로는 당시 세계 최대 출력을 자랑했습니다. 원자로의 출력이 크다는 것은 곧 원자로 내에서 핵분열 반응이 많이 생긴다는 의미입니다.
NRX 원자로의 출력은 1천만 와트(10MW)였습니다. 요즘 원자력 발전소의 출력이 보통 수십억 와트(1~4GW)인 것에 비교하면 수백 배나 작지만, 당시에는 엄청난 출력이었습니다. 원자로 안에서 우라늄 핵이 한번 분열하면 대략 2억 전자볼트(=200MeV) 정도의 에너지가 나옵니다. 이는 대략 3.2X10-11줄(J)에 해당하는 에너지인데, 이를 NRX 원자로의 출력과 비교하면 초당 약 3X1017번의 핵분열이 원자로 안에서 일어나고 있는 셈입니다.
우라늄과 같이 무거운 핵이 핵분열을 하고 나면 중성자를 과도하게 많이 가진 불안정한 핵들이 생겨납니다. 그리고 이들 불안정한 핵들이 베타붕괴를 일으켜 좀 더 안정된 핵으로 변하면서 중성미자를 발생시킵니다. 즉 핵분열 반응이 많이 일어난다는 것은 중성자가 많이 발생한다는 것을 의미하는 동시에 중성미자도 그만큼 많이 생긴다는 것을 뜻합니다. NRX 원자로의 경우에는 어림잡아도 대략 매초 1018, 즉 백 경(京)개 정도의 엄청난 양의 중성미자가 발생합니다.
연쇄반응. 중성자에 의해 우라늄 핵이 두 개의 핵으로 쪼개진다. 이때 2~3개의 중성자가 추가로 발생하고, 이들 중성자가 다른 우라늄을 또 붕괴시킨다. 우라늄 붕괴로 생성된 핵들은 중성자를 많이 포함하고 있어 베타붕괴를 일으키며 전자와 반중성미자를 생성시킨다.
폰테코르보는 이렇게 많은 양의 중성미자가 원자로에서 나온다면 중성미자가 제아무리 반응을 하지 않는다손 치더라도 한두 개쯤은 운 좋게 검출해낼 수 있지 않을까 생각했습니다. 불가능해 보이지만 그래도 누군가는 로또 1등에 당첨되듯이 말입니다. 문제는 중성미자가 반응을 했는지 안 했는지를 어떻게 알아낼 수 있느냐였습니다. 폰테코르보는 염소(Cl) 원자에 주목했습니다.
폰테코르보가 특별히 염소 원자를 사용하려고 했던 것은 나름의 이유가 있었습니다. 이를 이해하기 위해서는 우선 베타붕괴 과정을 다시 한 번 살펴볼 필요가 있습니다. 베타붕괴는 핵 속에 있는 중성자가 양성자로 바뀌면서 전자와 반중성미자를 내는 반응입니다. 이를 반응식으로 쓰면 으로 나타낼 수 있습니다. 이 반응식에서 오른쪽에 있는 반중성미자를 왼쪽으로 넘겨주면, 중성자와 중성미자가 충돌하는 반응식,
이 얻어집니다.1) 폰테코르보는 바로 이 식에서 멋진 생각을 떠올립니다. 중성미자가 핵에 부딪혀도 베타붕괴와 똑같이 핵종이 변할 것이란 생각이지요.
예를 들어 할로겐 원소인 염소에 중성미자가 부딪치면, 원자번호가 하나 늘어나 아르곤이 됩니다(). 이는 사실상 베타붕괴와 같은 과정입니다.2)그리고 이때 만들어진 아르곤은 비활성기체라 다른 원소와 결합하지 않고 쉽게 분리되어 나옵니다. 따라서 염소만 들어 있던 물질 속에 아르곤 기체가 발생한다면 중성미자와 반응한 것이라 여길 수 있고, 그렇다면 중성미자의 존재를 실험적으로 검증한 것이 됩니다. 문제는 중성미자가 염소 핵과 반응할 확률이 매우 낮아 반응을 통해 생길 아르곤 원자가 몇 개 되지 않을 것이므로 이를 센다는 것이 결코 쉽지 않다는 점이었습니다.
사실 자연에 존재하는 염소는 크게 두 가지로 나뉩니다. 하나는 질량수 35의 35Cl이고 다른 하나는 질량수 37의 37Cl입니다. 둘은 동위원소로 화학적 성질은 같으면서 질량만 다른 원소입니다. 자연에는 35Cl와 37Cl이 대략 3:1의 비율로 존재합니다. 눈이 달려있지 않은 중성미자 입장에선 자신이 35Cl와 부딪치는지 37Cl과 부딪치는지는 알 수 없습니다. 우선 중성미자가 35Cl와 부딪치면 앞에서 본 바와 같이 반응을 통해 35Ar을 만듭니다. 마찬가지로 37Cl와 부딪치면
의 반응이 생겨 37Ar을 만들겠지요. 재미있는 사실은 중성미자와 부딪힌 35Ar와 37Ar이 서로 완전히 다른 행동을 한다는 것입니다.
우선 35Ar은 불안정한 핵이어서 ‘양의 베타붕괴’를 일으키면서 금세 35Cl로 다시 돌아갑니다(). ‘양의 베타붕괴’란 양성자가 중성자로 변하면서 양전자와 중성미자를 내는 반응입니다(
). 그래서 ‘양의 베타붕괴’가 일어나면 질량수는 유지하면서 원자번호만 하나 줄어들게 됩니다. 따라서 35Ar이 생성된 경우에는 몇 초만 지나면 중성미자와 충돌했던 흔적이 사라집니다.
반면 37Ar은 상당히 안정된 핵입니다. 그렇다고 37Ar이 영원히 살아남아 있지는 않습니다. 어느 정도 시간이 지나면 37Ar의 핵은 원자 속에 있는 전자 한 개를 꿀꺽 삼켜 먹어버립니다. 이 현상은 보통 핵에 가장 가까이 있는 K껍질에 있는 전자를 포획하여 잡아먹으므로 이를 ‘K전자포획(K-electron capture)’라고 부릅니다. 핵이 전자를 포획한다는 얘기는 핵의 전하가 하나 줄어든다는 얘기가 됩니다. 즉 37Ar은 반응을 통해 37Cl로 돌아갑니다. 이 과정은 쉽게 일어나는 편이 아니라서 한참을 기다려야 합니다. 이 반응을 통해 최초의 37Ar의 양이 반으로 줄어 37Cl로 돌아가는 데 필요한 시간을 반감기라 할 수 있는데 이는 34일이나 됩니다. 즉, 한참 동안 아르곤 원자 상태를 유지하고 있어서, 실험을 통해 37Ar찾아낼 시간적 여유가 있는 것입니다.
더욱 재미있는 일은 K껍질에 있던 전자가 핵에 잡혀먹고 난 뒤에 벌어집니다. K껍질에 있던 전자가 갑자기 사라진 것은 마치 탑의 밑바닥 돌이 빠진 것과 비슷한 상황입니다. 따라서 2층에 해당하는 L층에 있던 전자가 더 낮은 에너지 상태인 K껍질로 내려가게 됩니다. 2층에 있던 전자가 1층으로 점프하여 내려가면 에너지가 발생합니다. 우리가 2층에서 1층으로 뛰어내리면 고통과 함께 ‘아얏’하고 소리 에너지가 나오듯이 말입니다. 그 에너지는 다시 다른 층에 있는 전자에 전달되어 그 전자를 원자 밖으로 밀어냅니다. 어찌 보면 매우 코믹한 상황입니다. 1층에 있던 친구 한 명이 가출을 하면, 2층에 있던 다른 친구가 그 자리를 채우기 위해 뛰어내리고, 그때 발생한 충격파로 다른 층에 있던 제3의 친구가 놀라서 건물 밖으로 뛰쳐나가는 모습이니까요.
이런 과정을 통해 튀어나오는 전자를 특별히 오제(Auger)전자라 부릅니다. 오제는 이 현상을 발견한 프랑스의 물리학자 피에르 오제(Pierre Auger)의 이름에서 따온 것인데, 사실 이 현상을 처음 발견한 사람은 오제가 아니고 독일의 여성물리학자 리제 마이트너(Lise Meitner)였다고 합니다. 그녀의 입장에선 억울할 만도 합니다. 마이트너는 독일에 있던 대학에서 여성으로는 최초로 물리학과 교수가 된 것으로도 유명합니다. 그녀는 또한 오토 한(Otto Hahn)과 함께 핵분열을 발견한 최초의 과학자로 인정받고 있습니다. 그러나 정작 1944년 노벨상에는 오토 한의 이름만 올라가 있고, 리제 마이트너의 이름은 빠져 있었답니다. 여러모로 불공평한 시대였다고 할 수 있겠습니다.
37Cl이 37Ar로 바뀌는 것을 찾아내어 중성미자를 검출할 수 있다는 폰테코르보의 아이디어는 1948년이 되어 완성됩니다. 폰테코르보가 특별히 염소(Cl) 원자를 사용하려고 한 데에는 또 다른 중요한 이유가 있었습니다. 할로겐족의 다른 원소에 비해 염소는 풍부하고 또 값싸게 쉽게 구할 수 있다는 것입니다. 폰테코르보와 동료들은 Cl 원자가 많이 포함된 물질로 사염화탄소()에 주목합니다. 사염화탄소는 상온에서 액체 상태이고 소화기용 물질로 또 세탁소 드라이클리닝용 세제로 사용되고 있어서 쉽게 대량으로 구할 수 있었습니다. 게다가 생성된 아르곤은 비활성기체여서 액체로부터 쉽게 분리해 낼 수 있다는 점도 큰 장점이었습니다.
그럼 폰테코르보의 실험은 성공적이었을까요? 사실 폰테코르보의 실험은 성공할 수 없는 실험이었습니다. 왜냐하면 베타붕괴의 식()에서 알 수 있듯이, 원자로에서 나오는 중성미자는 엄밀하게는 ‘반중성미자’이기 때문입니다. 그러니
의 반응이 일어날 수 없었던 것이지요. 물론 이것은 나중에 자세히 알게 된 것이고, 당시는 중성미자와 반중성미자의 개념이 모호했던 시절이라 원자로에서 중성미자로도 Cl-Ar 반응이 일어날 수 있다고 생각했던 것이었지요. 결국 실험은 흐지부지 되다가 폰테코르보가 영국으로 건너가면서 중단되게 됩니다. 폰테코르보는 소련으로 망명한 후 두브나 핵물리 연구소에서 다시 일을 시작했지만 불행히도 그에게 중성미자 탐색실험의 기회는 다시 주어지지 않았습니다.
정작 폰테코르보의 Cl-Ar 변환 실험을 진지하게 수행한 사람은 따로 있었습니다. 바로 미국의 레이 데이비스(Raymond Davis)였습니다. 레이 데이비스는 1948년 미국 동부에 위치한 브룩헤이븐 국립연구소의 연구원이 됩니다. 연구소에 도착한 데이비스는 어떤 연구를 할까 고민하다가 연구소장을 찾아가 조언을 구했답니다. 연구소장의 조언은 그다지 도움이 되지는 못했습니다. 데이비스가 들은 조언은 도서관에 가서 열심히 책을 읽고 관심 있는 주제를 찾아보라는 것이었답니다. 오늘날 월급을 주면서 이런 주문을 하는 상사를 만난다는 것은 불가능해 보입니다.
자유롭게 연구하던 데이비스의 눈에 꽂힌 것은 바로 폰테코르보가 1946년에 발표한 Cl-Ar 방법에 대한 논문이었습니다. 논문을 읽은 데이비스는 왠지 실험이 쉽게 느껴졌습니다. 데이비스는 방사선물리와 화학을 전공하였고, 그래서 아르곤을 분리해 내고, 또 아르곤으로부터 나오는 방사선을 검출해내는 일련의 일들이 평이해 보였습니다.
마침 브룩헤이븐 연구소에는 소형 원자로도 있어서 실험을 하기 위한 조건은 완벽해 보였습니다. 데이비스는 조그만 탱크를 만들어 원자로 옆에 설치하였습니다. 그리고는 3,800리터의 드라이클리닝 세탁 세제를 사서 탱크를 채웠습니다. 실험의 모든 과정은 순조롭게 진행되었습니다. 데이비스에게 남은 일은 중성미자와 반응해 변환된 아르곤의 개수만 세는 일이었습니다.
데이비스가 기대하던 결과는 간단했습니다. 원자로를 켜면 37Ar이 생성되다가, 원자로를 끄면 37Ar이 나타나지 않는 것이었습니다. 결과가 이렇게만 나온다면 곧 중성미자가 37Cl와 반응했다는 것을 보여주는 것이었으니까요. 기대에 부풀었던 데이비스에게 주어진 결과는 실망스러웠습니다. 우선 37Ar이 검출되기는 하였지만 기대했던 것만큼 충분히 생성되지 않았고, 또 원자로를 켜든 끄든 37Ar의 생성량에는 차이가 없었던 것이었습니다.
금방 실험을 끝낼 수 있다고 생각했던 데이비스는 결국 처음부터 다시 실험을 설계 해야만 했습니다. 1954년, 마흔 살의 나이였던 그는 아마도 그가 노인이 될 때까지 평생 이 실험만 하게 될 줄은 꿈에도 몰랐었을 것입니다. (다음 편에 계속)
반응식 오른쪽에 있던 반입자가 반응식 왼쪽으로 이항되면 전하의 부호가 바뀌면서 입자가 된다.
양성자 Z개와 중성자 N개로 이루어진 핵의 경우, 이 핵의 질량을 결정짓는 원자량(A)은 양성자와 중성자의 개수를 합한 값(A=Z+N)이 되고, 이 핵을 라 표기한다. 베타붕괴가 일어나면 핵 속의 중성자 한 개가 양성자로 바뀌면서, 전자와 중성미자를 발생시킨다. 그러면 핵속의 중성자수는 하나 줄어들고 (N=N-1) 대신 양성자수는 하나 늘어나게 되어 (P=P+1),
의 핵이 된다.
발행일 : 2017. 12. 01.
글 박인규 서울시립대학교 물리학과 교수
고려대학교 물리학과를 졸업한 뒤 프랑스 파리11대학에서 입자물리실험으로 박사학위를 받았다. 현재 서울시립대 물리학과 교수로 재직하고 있으며, 한국물리학회 대중화특별위원회 위원장을 역임하였다. 사람들이 물리학은 어렵다고들 하지만, 알고 보면 세상사가 훨씬 더 복잡하고, 물리학은 오히려 단순하고 이해하기 쉽다는 생각을 가지고 오늘도 물리학 교육에 힘쓰고 있다.
[네이버 지식백과] 세제로 입자를 찾다 - 중성미자를 찾아서 (2) (물리산책)