남극 얼음 속에 묻힌 1세제곱킬로미터의 얼음…2026 노벨 물리학상, 중성미자는 어떻게 잡았을까🧊

눈으로 하나도 못 잡는 입자를, 어떻게 알아냈을까요?🧊

2026년 10월 6일, 스웨덴 왕립과학원이 2026년 노벨 물리학상 수상자로 벨기에 출신 물리학자 프랜시스 할젠(Francis Halzen, 1944년생)을 발표했어요.

수상 이유는 '아이큐브 중성미자 관측소(IceCube Neutrino Observatory)와 천체 기원 고에너지 중성미자 발견에 결정적인 기여'였어요.

🔭 왜 얼음을 고른 걸까요

중성미자는 전기 전하가 없고 질량이 거의 없어서, 지구도 몸도 그대로 통과해요. 손톱 끝을 지나는 태양 중성미자가 매초 65억 개라는 숫자가 말이 안 되는 것 같지만, 노벨 위원회 설명에 그대로 적힌 값이에요.

그러니까 이건 '보이지 않는 걸 못 본다'가 아니라, 거의 모든 입자는 그냥 지나가고 아주 드물게만 원자핵과 부딪힌다는 뜻이에요. 그 드문 한 번의 순간만 잡아내면 됩니다.

🧊 바다 말고, 빙설 아래에

1960년대부터 물속에서 중성미자를 잡으려는 시도는 있었어요. 중성미자가 원자핵과 충돌하면 전하를 띤 입자가 같은 방향으로 날아가며 푸른빛을 내요. 물은 투명하니까 그 빛이 되돌아온 방향으로 들어온 방향을 계산할 수 있거든요. 문제는 부딪힘이 너무 드물다는 점이었어요.

할젠은 '아니, 바다 말고 빙설 아래에 매설하자'고 생각했어요. 1980년대에 소련 연구자들이 남극에서 중성미자를 라디오파로 잡으려던 소식을 듣고, 그 아이디어에서 빛 센서 방식으로 방향을 틀었다고 합니다. 1988년 2월에는 폴란드에서 열린 회의에서 이 구상을 처음 공개했어요.

• 얼음은 깊이 1400m 아래에서 극도로 순수하고 투명해 빛이 약 300m까지 진행해요
• 해양과 달리 생물 요동이 없고 방사성 물질도 매우 낮아요
• 지질학적으로 안정적이라 지진이 없고, 작업할 수 있는 단단한 바닥이 돼요
• 남극에는 이미 연구소가 있어 물자원과 정기적인 항공 지원이 있었어요

단점도 명확했어요. 1년 가운데 11~2월의 짧은 남극 여름에만 모든 설치 작업을 할 수 있다는 것. 뜨거운 물을 뿌려 샤워헤드처럼 구멍을 뚫고, 광학 모듈이 늘어진 긴 케이블을 그 구멍에 내려보내는 방식이었어요. 할젠은 이 센서를 '전구가 뒤집힌 것'이라고 표현했어요. 빛을 받아 전기 신호로 바꾸는 장치라는 뜻이죠.

처음 시도부터 곤란했어요. 상부 얼음에는 기포가 많아 빛이 사방으로 퍼지면서 입자의 이동을 알 수 없었거든요. 노벨 위원회 자료에서 할젠은 1993년 12월 24일, 무릎에 컴퓨터를 올리고 식탁에서 첫 케이블이 설치됐다는 신호를 기다렸던 이야기를 꺼냅니다. 다행히 1400m 아래의 얼음은 훌륭했고, 여기서 아이디어가 살아남은 거예요.

🗺️ 천체의 지도

그런데 얼음에 묻어놓고 왜 이 소식이 '천문' 소식이죠? 이게 제일 궁금한 부분이었어요.

우주를 가로지르는 입자 중에는 양성자 같은 것이 있는데, 이건 전기 전하가 있어서 우주의 자기장에 휘어 방향을 잃어요. 어디서 출발했는지 역추적 자체가 불가능해요. 반면 중성미자는 전하가 없어 방향이 그대로 유지되고, 감마선처럼 광선에 흡수되지도 않습니다. 먼 우주까지 살아남는 우편배달부 같은 거죠.

그래서 중성미자는 먼지성운 뒤에 가려진 천체, 너무 멀어 다른 복사가 도착 전에 사라진 천체를 볼 수 있는 유일한 창구가 됩니다. 2013년 팀이 우주 기원 중성미자의 존재를 처음 보고했고, 몇 년 뒤 축적한 데이터로 확신을 갖게 됐어요. 노벨 위원회도 '별이 폭발한 곳이나 활동 은하 같은 격렬한 과정'에 있다고 썼습니다.

📏 남극 아래 1세제곱킬로미터

전신은 AMANDA였고, 2000년 1월에 완공된 뒤 '기운이 넘치는 중성미자를 잡기엔 물량이 부족하다'는 판정을 받습니다. 그래서 1세제곱킬로미터짜리 아이큐브가 시작됐어요.

여기서 제가 개인적으로 제일 흥미롭다고 느낀 숫자가 있어요. 남극 대기권에서 하루 1억 개가 넘는 우주선이 관측소 깊이까지 뚫고 들어온다는 거예요. 찾는 중성미자보다 섞여 들어오는 방해물이 훨씬 많은 셈이죠. 그래서 연구진은 개별 사건 하나하나를 확정하기보다, 걸러 남은 사건 전체의 성질이 대기 중성미자와 우주 중성미자의 예상과 어긋나는지 확인하는 방식으로 갑니다.

프랜시스 할젠은 국제 연구자·엔지니어 팀을 이끌어 훌륭한 장비를 만들어냈습니다. 그의 끈기와 과학적 관점은 새로운 종류의 천문학으로의 길을 열어왔습니다.

Mark Pearce, 노벨 물리학 위원 위원장 (2026년 10월 6일 발표문)

🪐 다음에 뭘 볼까요

활동 은하 NGC 1068 방향에서 잡힌 79개라는 숫자가 아직 결정적이진 않다는 게 가장 큰 다음 질문이에요. 노벨 위원회도 이 점을 분명히 적었어요. 중성미자를 더 많이 잡을수록 출처를 확정할 확률이 올라가지만, 지금 숫자만으로는 NGC 1068을 중성미자 원천이라 단정할 수 없다는 거죠.

또 하나는 우리 은하 자체에서 오는 고에너지 중성미자예요. 연구진은 별 사이의 얇은 기체에 우주선이 부딪힐 때 만들어진다고 보고 있습니다. 은하를 바깥에서 보는 관측에 더해, 우리 은하를 안에서 지나는 입자까지 세는 단계에 들어선 거라 이쪽이 더 궁금해지네요.

제가 이 소식에서 제일 인상 깊었던 건 측정 기술이 아니라 어디에 관측소를 묻을지 선택한 상상력이에요. 남극의 빙설이라는 자원을 기가 막힌 눈으로 봤고, 그게 40년 가까이 걸려 1세제곱킬로미터가 됐어요.

그래서 다음에 볼 것은 하나예요. 12월 10일 시상식이 열리면, 아이큐브 데이터 어디선가 방향이 새로 찍히는지 몰래 기다리는 중이에요.