В Южной Корее в подземном центре Yemilab запускают строительство ускорителя для изучения эволюции звезд и детектора нейтрино

강원 정선군 예미산 정상에서 1009m 아래에 자리한 ‘예미랩’은 암흑물질·중성미자 등 지상에서 관측하기 어려운 물질을 연구하는 다목적 지하연구시설이다. 두꺼운 암반이 지상으로 쏟아지는 우주선 입자를 막아 드물고 약하게 발생하는 입자 반응을 포착하는 데 유리하다. 이곳에 별의 진화 과정과 중성미자의 성질을 연구할 차세대 장비를 들여놓기 위한 준비가 시작됐다. 지난달 23일 강원 정선군 예미랩에서 만난 소중호 기초과학연구원(IBS) 예미랩 책임기술원과 김영덕 IBS 지하연구실험단장은 각각 별의 생성·진화 과정을 규명할 지하 가속기 ‘(연아K(YUNA@K)’와 중성미자 검출기 ‘νEYE’를 구축할 계획을 착착 진행중이다. ● 별의 진화 과정, 지하에서 찾는다 소 책임기술원이 제안한 YUNA@K는 ‘한국 예미 지하 핵천체물리학(Yemi Underground Nuclear Astrophysics at Korea)’의 약자로 지하에 구축하는 연구용 가속기다. 별 내부에서 일어나는 핵융합 등 핵반응을 재현하고 별을 구성하는 원소가 어떻게 만들어졌는지 연구하기 위한 장치다.  양성자 등 입자를 전기장으로 가속시켜 충돌반응을 유도하는 가속기 성능을 높이려면 긴 가속구간이나 더 높은 전압이 필요하다. 공간이 제한적인 지하에선 입자 빔의 전류를 높여 입자 수를 늘려 더 많은 핵반응을 유도한다. 현재 전세계에서 지하 가속기를 운영하는 곳은 미국 ‘캐스퍼(CASPAR)’·이탈리아 ‘루나(LUNA)’·중국 ‘주나(JUNA)’ 세 곳이다. 이탈리아에 최근 구축된 대형 지하 가속기 루나는 양성자 기준 최대 약 3.5MeV(메가전자볼트)의 에너지를 낼 수 있다. 전자볼트는 입자 한 개가 지닌 에너지를 나타내는 단위로 1MeV는 100만전자볼트다. 소 책임기술원이 구상하는 YUNA@K의 목표 에너지는 양성자 기준 6MeV, 알파입자 기준 9MeV다. 소 책임기술원은 “기존 시설이 도달하지 못하는 높은 에너지 영역에서 전 세계 누구도 보지 못한 핵반응을 관측하는 것이 목표”라고 말했다. 전압을 높여 입자 에너지가 높아지면 양전하를 띤 원자핵끼리 서로 밀어내는 ‘쿨롱 장벽’을 더 쉽게 넘어 핵융합 반응을 일으킬 수 있다. 이를 통해 쿨롱 장벽이 더 높은 탄소나 산소가 참여하는 핵반응까지 연구 범위를 넓힐 수 있다. 수소가 헬륨으로 바뀌는 핵융합이 일어나는 별에서는 별의 진화 단계에 따라 탄소와 산소, 마그네슘 등 더 무거운 원소가 만들어진다. 무거운 원소가 관여하는 핵반응을 정밀하게 측정할수록 별의 진화 규명에 가까워진다. 소 책임기술원은 "현재 천명기 숭실대 우주물질연구소장, 안정근 고려대 물리학과 교수, 한인식 IBS 희귀핵연구단장 등 국내 연구자들과 구체적인 연구 계획을 논의하고 있다"고 밝혔다. ● 물 대신 기름 채운 검출기로 저에너지 중성미자 관측하는 'νEYE' 예미랩에는 지름과 깊이가 각각 약 20m인 원통형 대형 실험공간이 있다. 원은일 고려대 물리학과 교수는 이 공간에 약 2킬로톤 규모의 중성미자 검출기 νEYE를 설치하는 방안을 검토 중이다. νEYE는 ‘예미랩 중성미자 실험(Neutrino Experiment at YEmilab)’을 뜻한다.  중성미자는 전하가 없고 질량이 매우 작은 기본입자다. 태양 내부의 핵융합 반응이나 초신성 폭발, 원자로의 핵분열 과정 등에서 생성된다. 다른 물질과 거의 반응하지 않아 지구를 그대로 통과할 수 있으며 그만큼 검출도 어렵다. 중성미자 검출기 역시 우주선에서 발생하는 뮤온과 자연 방사선이 만드는 배경잡음의 영향을 받는다. 중성미자가 남긴 희미한 신호를 구분하려면 지하 깊은 곳에 검출기를 설치해야 한다. 중성미자 검출 방식은 검출기 내부를 채우는 물질에 따라 달라진다. 일본의 '슈퍼카미오칸데'와 '하이퍼카미오칸데'처럼 물을 채우는 검출기는 ‘체렌코프 방식’을 사용한다. 체렌코프 현상은 전하를 띤 입자가 물 속에서 물 속의 빛보다 빠르게 이동할 때 푸른빛을 내는 현상이다. 물은 저렴하고 확보하기 쉬워 수십만톤 규모의 대형 검출기를 만드는 데 유리하다. 원 교수가 구상하는 νEYE는 물 대신 기름(유기용매)을 사용해 '액체섬광체' 방식으로 검출한다. 중성미자가 액체섬광체 속 입자와 반응하면 짧은 빛이 발생하고 검출기 주변에 설치된 광센서가 이를 포착하는 방식이다. 현재 νEYE 구축 계획은 과학기술정보통신부 신규 대형 구축형 연구개발 사업에 제출한 상태다. 김 단장은 “예미랩의 제한된 공간에서 검출기의 감도를 높여 더 낮은 에너지 영역을 관측하는 것이 목표”라며 “태양 중성미자를 비롯해 아직 충분히 연구되지 않은 중성미자의 특성을 밝힐 수 있을 것”이라고 말했다.