Korean Neutrino Observatory

Intae YU

The Korean Neutrino Observatory (KNO) has been proposed as the next generation neutrino detector in Korea. The main scientific goals of KNO are the discovery of CP violation in neutrino sector and the observation of cosmic neutrinos. This article gives a brief overview of neutrino physics and introduce the status and prospects of the KNO project.

들어가며

기초과학분야에서는 연구가 고도화됨에 따라 대규모 집단연구로 진행되는 경우가 점점 많아지고 있는데 대표적인 분야 중 하나가 고에너지 물리분야이다. 고에너지 물리는 주로 거대 입자가속기를 활용하여 연구되었는데 21세기에 들어오면서 중성미자, 암흑물질 분야 등의 비가속기 분야가 급격하게 부각되고 있다. 특히 중성미자 분야는 2000년대 초반 중성미자 진동현상(neutrino oscillation)이 발견되면서 획기적인 전기를 맞이하였고 현재 각국이 고에너지 물리 분야의 핵심 프로젝트로서 Hyper-Kamiokande(일본), DUNE(미국), JUNO(중국) 등의 차세대 중성미자 실험들을 건설하고 있다.

국내연구진의 중성미자연구는 미국 Fermi 연구소에서 E531실험에 1983년부터 참여하면서 시작되었으며 그 이후 CHORUS, OPERA, Super-Kamiokande, K2K, T2K 등의 해외 실험들에 참여하여 연구역량을 축적하였다. 국내 중성미자 연구가 도약의 계기를 맞이한 것은 RENO 실험이다. 전라남도 영광에 위치한 한빛 원자력발전소에 국내기술로 RENO 중성미자 지하검출시설을 2006년부터 구축하여 2011년부터 실험을 시작하였다. RENO 실험에 참여한 국내 연구진은 2012년에 원자로에서 방출되는 중성미자를 분석하여 중성미자의 가장 약한 진동변환 세기를 측정하는 세계적인 성과를 거두었으며 이를 통해 국내 연구역량은 선진국 수준에 근접하게 되었다.1)

중성미자는 물리학 분야뿐만 아니라 천문학 분야에서도 중요성이 더욱 커지고 있다. 중력파의 발견 이후 다중신호천문학(multi-messenger astronomy)에 대한 연구가 활발해지고 있는데 중성미자천문학은 다중신호천문학의 새로운 분야로 크게 각광받고 있다. RENO 실험 등을 통해 축적된 국내 연구역량을 바탕으로 물리학자와 천문학자들로 구성된 국내 연구진은 차세대 지하중성미자 시설인 한국 중성미자 관측소(Korean Neutrino Observatory, KNO) 프로젝트를 추진하고 있다. 본 특집호에서는 한국 중성미자 관측소의 현황과 전망에 대해 살펴보고자 한다.

서 론

중성미자(neutrino)는 우주를 구성하는 기본 입자들 중 하나로 1956년 코완(Cowan)과 라인스(Reines)에 의해 그 존재가 발견된 이후 60여 년이 지났지만 물리학자들은 중성미자에 대해 많은 부분을 제대로 이해하고 있지 못하고 있다. 전자중성미자(electron neutrino), 뮤온중성미자(muon neutrino), 타우중성미자(tau neutrino)의 세 종류가 존재한다는 사실이 실험적으로 밝혀졌지만 그 외 다른 물리적 성질에 대해서는 제대로 알려져 있지 않다. 그 이유는 중성미자가 물질과 주로 약한 상호작용(weak interaction)을 하게 되어 중성미자의 실험적인 검출이 매우 어려웠기 때문이다. 그러나 1980년대 이후 중성미자 검출기술이 발전하게 되면서 일본의 슈퍼카미오칸데(Super-Kamiokande) 실험과 같은 대형실험들이 등장하게 되어 중성미자에 대한 연구가 급격한 발전을 하게 되었다.

1990년대 후반 일본의 슈퍼카미오칸데 실험과 캐나다의 SNO 실험에 의해 발견된 중성미자 진동현상(neutrino oscillation)은 중성미자 연구에 획기적인 전기를 제공하였다.2) 중성미자 진동은 한 종류의 중성미자가 다른 종류의 중성미자로 변환하는 현상으로 1960년대에 발견 이후 수수께끼였던 태양중성미자(solar neutrino) 결핍을 자연스럽게 설명할 수 있었다. 중성미자 진동현상이 일어나기 위해서는 중성미자는 질량을 가져야 하고 다른 종류의 중성미자들 사이의 혼합(mixing)이 존재해야 하는데 이는 입자물리학의 기본 패러다임인 표준모형(Standard Model)을 수정해야 함을 의미했다. 중성미자 진동현상의 발견은 그 물리적인 중요성을 인정받아 2015년에 각 실험의 대표인 카지타(Kajita) 교수와 맥도날(McDonald) 교수가 노벨물리학상을 수상하였다.

중성미자는 우주에서 다양한 과정을 통해 방출된다. 태양과 같은 항성 심부에서의 핵융합반응, 초신성(supernova) 폭발, 우주선(cosmic ray) 입자와 성간물질과의 상호작용, 블랙홀 및 중성자 별과 같은 극한 천체 등에서 수많은 중성미자들이 방출되고 있으며 중성미자의 투과성으로 인해 우주를 왜곡없이 관측할 수 있는 새로운 메신저(messenger) 입자로 각광받고 있다. 1960년대의 홈스테이크(Homestake) 실험은 태양중성미자를 측정하여 태양중성미자 결핍현상을 발견하였고3) 일본의 카미오칸데(Kamiokande) 실험은 1987년 초신성 SN 1987A에서 방출되는 중성미자를 최초로 측정하였다.4) 특히 초신성은 그 폭발에너지의 99% 이상을 중성미자로 방출하기 때문에 초신성 중성미자의 연구는 초신성에 대한 중요한 단서를 제공해 줄 수 있을 것으로 기대되고 있다. 우주 중성미자에 대한 업적으로 2002년 홈스테이크 실험의 대표인 데이비스(Davis) 박사와 카미오칸데 실험의 대표인 고시바(Koshiba) 교수에게 노벨물리학상이 수여되었다. 우주 중성미자는 기존의 전자기파 그리고 최근 발견된 중력파에 이어 우주를 관측할 수 있는 새로운 창을 제공하고 있으며 향후 중요한 연구성과들이 계속 나올 것으로 예상된다.

중성미자 CP 대칭성 깨짐

중성미자 진동현상의 발견 이후 중성미자 분야의 가장 중요한 연구주제 중의 하나는 중성미자 CP 대칭성 깨짐(CP violation) 현상이다. CP 대칭성 깨짐은 현재 우주에서 물질이 반물질보다 월등히 많이 존재한다는 물질-반물질 비대칭의 근원을 규명하는데 결정적인 역할을 하는 매우 중요한 현상이다. CP 대칭성 깨짐 현상은 1960년대 K 중간자(meson) 붕괴과정에서 처음 발견되었고5) 2000년대에는 B 중간자에서도 측정되었다.6) 중간자에서의 CP 대칭성 깨짐은 중간자를 구성하고 있는 쿼크(quark)의 혼합(mixing)으로 설명할 수 있는데 그 이론을 처음 제안한 일본의 고바야시(Kobayashi) 교수와 마사카와(Masakawa) 교수는 2008년 노벨물리학상을 수상하였다.

중간자에서의 CP 대칭성 깨짐 현상은 그 중요성에도 불구하고 우주에서 관측된 물질-반물질 비대칭을 설명하기에는 불충분한 것으로 판명되었고 새로운 CP 대칭성 깨짐의 기작이 필요하게 되었다. 중성미자 진동현상의 발견은 중성미자에서도 쿼크와 비슷하게 혼합현상이 존재함을 의미하였고 CP 대칭성 깨짐 현상이 일어날 수 있는 가능성을 보여주었다. 현재까지의 연구에 의하면 중성미자 CP 대칭성 깨짐이 우주의 물질-반물질 비대칭성을 설명하는데 결정적인 기여를 할 수 있고 이론적 모델에 따라서는 직접 물질-반물질 비대칭성을 구현할 수 있는 것으로 알려져 있다. 결과적으로 중성미자 CP 대칭성 깨짐 현상의 발견은 우주의 물질-반물질 비대칭성의 근원에 대한 해답에 한발 다가서게 된다는 점에서 과학적으로 획기적인 성과가 될 것이다.

최근 중성미자에서의 CP 대칭성 깨짐의 가능성을 제시하는 연구결과가 일본의 T2K 실험에 의해 발표되었다.7) 아직은 측정 정밀도가 CP 대칭성이 깨져 있다고 단정할 수 있는 수준은 아니지만 적어도 그 가능성을 확인하였다는 점에서 큰 성과라고 볼 수 있다. T2K 실험은 일본의 J-PARC 가속기에서 방출되는 뮤온 중성미자 빔을 이용해서 중성미자의 진동확률을 측정하는 실험인데 뮤온 중성미자(muon neutrino)의 진동확률과 뮤온 반중성미자(muon anti-neutrino)의 진동확률을 비교함으로써 CP 대칭성 깨짐을 탐색하였다.

중성미자 CP 대칭성 깨짐 현상의 과학적인 중요성을 반영하여 중성미자 연구의 선도국인 일본과 미국은 막대한 예산을 투입하여 차세대 중성미자 실험으로 하이퍼카미오칸데(Hyper-Kamiokande) 실험과 DUNE 실험을 각각 추진하고 있다.

차세대 중성미자 실험

일본은 1980년대 카미오칸데 실험 이후로 초신성 중성미자의 발견, 중성미자 진동현상의 발견을 주도하였으며 중성미자 연구의 선도국으로 발돋움하였다. 현재 차세대 중성미자 실험인 하이퍼카미오칸데 실험시설의 구축을 진행하고 있으며 CP 대칭성 깨짐이나 우주 중성미자의 연구를 통해 중성미자 연구의 주도권을 계속 확보하기 위해 노력하고 있다. 하이퍼카미오칸데 시설은 지하 650 m 깊이에 26만 톤 규모의 물 체렌코프 검출기(water cherenkov detector)로 건설될 예정인데 이는 기존 슈퍼카미오칸데 검출기(5만 톤)의 5배 크기이다. 2021년부터 건설이 시작되었으며 총 8000억 원의 예산을 투입하여 2027년에는 구축작업을 완료하고 실험을 시작할 계획이다. 295 km 떨어진 J-PARC 가속기의 중성미자 빔을 사용하여 중성미자 CP 대칭성 깨짐 발견, 중성미자 질량순서 측정, 중성미자진동 정밀측정 등을 목표로 하고 있다. 또한 중성미자 망원경으로서 초신성 중성미자와 같은 우주중성미자의 연구도 중요한 연구목표이다.

미국의 DUNE 실험은 일본의 하이퍼카미오칸데 실험과 마찬가지로 CP 대칭성 깨짐 등의 입자물리학의 중요난제를 해결하기 위해 건설되고 있는 차세대 중성미자 실험이다. 미국 페르미(Fermi) 연구소의 LBNF (Long-Baseline Neutrino Facility)의 중성미자 빔을 1300 km 떨어진 샌포드 지하연구시설에 위치한 DUNE 검출기에 투사하여 중성미자 연구를 수행하게 될 것이다. DUNE 검출기는 지하 1500 m 깊이에 위치하고 있으며 중성미자 검출매질로 액체 아르곤(argon)을 사용한다. 2019년부터 지하시설의 건설을 시작하였으며 2029년까지 2개의 1만 톤 검출기 모듈을 구축하여 실험을 시작할 예정이며 그 이후에는 모듈을 축차적으로 추가하여 최종적으로는 4만 톤의 액체아르곤 검출기로 실험을 진행할 계획이다. 미국의 국가적 과학 프로젝트로 LBNF와 DUNE의 건설에 3조 원이 넘는 예산이 투자될 예정이며 이를 통해 중성미자 분야의 주도권을 되찾아올 수 있을 것으로 기대되고 있다.

한국 중성미자 관측소

Fig. 1. Schematic view of the Korean Neutrino Observatory (KNO).


Fig. 2. J-PARC Neutrino beam profile. Numbers represent the distances from J-PARC (in km) and the off-axis angles from the beam center respectively.

한국 중성미자 관측소(Korean Neutrino Observatory, KNO)는 한국의 차세대 중성미자 연구시설로 추진되고 있으며 만약 구축된다면 CP 대칭성 깨짐 및 우주중성미자 등의 연구에서 세계를 선도할 수 있을 것으로 예상되고 있다. KNO는 지하 1000 m의 깊이에 50만 톤 규모의 물 체렌코프 검출기로 건설되어 규모 면에서 세계 최대의 지하중성미자 시설이 될 것이고 그에 따라 기대되는 연구성과도 세계 최고수준이 될 것으로 예상되고 있다. 그림 1은 KNO 지하시설의 예상도를 보여주고 있다.

KNO의 아이디어는 20여 년 전으로 거슬러 올라갈 수 있다. 그림 2에서 보듯이 일본의 J-PARC 가속기에서 방출되는 중성미자 빔은 카미오카를 지나 지각을 통과하여 한반도 남부지방으로 나오게 된다. 만약 이 지역에 중성미자 검출기를 설치하면 중성미자 진동현상을 훨씬 정확하게 측정할 수 있게 된다. 이 아이디어는 2000년대 초반 카지타 교수를 포함한 한일 연구자들에 의해 제안되어 국제 워크숍 등을 개최하며 활발하게 논의되었지만 그 이후 더 이상 구체적으로 진행되지는 못했다. 그러다가 2010년대 중반에 하이퍼카미오칸데 프로젝트가 본격적으로 추진되면서 국내 입자물리학자들 사이에서 차세대 한국 중성미자 검출기에 대한 관심이 높아지게 되었고 추진의 필요성에 대한 공감대가 형성되었다. 또한 국내 천문학자들과 천체물리학자들도 2016년 중력파 발견을 계기로 다중신호천문학(multi-messenger astronomy)의 시대가 개막되면서 중성미자 망원경의 역할을 할 수 있는 차세대 중성미자 검출기에 대한 관심이 높아지게 되었다. 국내 물리학자들과 천문학자들은 2018년에 가칭 한국 중성미자 관측소(KNO) 추진단을 구성하여 본격적인 활동을 시작하였다.

현재 KNO 추진단은 KNO의 구축을 위한 사전 연구를 여러 분야에서 진행하고 있다. J-PARC의 중성미자 빔을 효율적으로 활용할 수 있으며 거대한 지하시설을 건설하기에 적합한 KNO의 후보지에 대한 사전 지질조사가 진행되었으며 그 결과 대구 달성군의 비슬산, 경상북도 영천시의 보현산 등을 유력한 후보지로 고려하고 있다. 중성미자 검출매질에 사용되는 물은 방사성원소나 불순물이 거의 없는 초순수 물이어야 하는데 이를 위한 초순수 정수장비를 서울대 연구진이 국내회사인 디코텍과 같이 개발하여 설계를 완료하였다. 또한 물속에 용해된 극미량의 라돈(radon) 방사성 물질을 측정할 수 있는 세계 최고수준의 라돈 측정장비를 국내회사인 다온과 협력하여 개발하였으며 시제품을 제작하였다. KNO의 핵심장비 중 하나인 광센서도 경북대 연구진에 의해 R&D가 진행되고 있다. 실리콘 소자를 사용한 새로운 유형의 광센서를 개발하고 있는데 현재 소형의 시제품을 제작하는 연구가 진행 중이다. KNO에 참여하는 국내 연구진 다수는 RENO 실험을 비롯한 국내외 중성미자 실험에 참여하여 지하시설 구축 및 운영, 검출기의 제작 및 운용에 대한 풍부한 경험을 가지고 있어 KNO 구축에 크게 기여할 수 있을 것으로 예상된다. 한편 KNO의 기대 연구성과에 대한 사전연구도 진행되어 CP 대칭성 깨짐 및 우주중성미자 등의 분야에서 세계 최고수준의 연구성과를 낼 수 있음을 보여주었다.

한국 중성미자 관측소(KNO) 연구시설은 구축에 6년 정도 시간이 걸릴 것으로 예상되고 있으며 총 소요예산은 3500억 원 내외로 추산된다. 일본의 하이퍼카미오칸데 실험이나 미국의 DUNE 실험과 비교했을 때 구축비용은 훨씬 적게 들지만 기대 연구성과는 비교우위를 가지고 있는 것으로 분석된다. 또한 KNO는 세계적인 지하 기초과학시설로서 입자물리학, 다중신호천문학뿐만 아니라 지하심부에서 다양한 분야를 연구할 수 있는 종합적인 지하연구시설로 활용될 수 있을 것으로 예상된다.

맺음말

중성미자는 우주를 이해하는 데 매우 중요한 역할을 하는 기본입자이다. 중성미자 진동현상의 발견, 우주 중성미자 관측 등의 과학적인 성과를 계기로 입자물리학과 천문학 분야에서 중성미자 연구는 최근 크게 발전하고 있으며 세계 각국은 앞다투어 차세대 중성미자 검출시설을 건설하고 있다. 국내 중성미자 연구자들은 그 동안 축적된 연구역량을 바탕으로 한국의 차세대 중성미자 검출시설로 한국 중성미자 관측소(KNO) 프로젝트를 추진하고 있다. 한국 중성미자 관측소는 CP 대칭성 깨짐이나 우주 중성미자와 같은 과학적으로 중요한 분야에서 세계적인 연구성과를 거두어 한국을 중성미자 연구의 선도국으로 도약시킬 수 있을 것으로 예상된다.