2026 노벨 물리학상에 위스콘신大 프랜시스 할젠…남극 얼음 아래 우주에서 온 ‘유령 입자’

1㎦ 남극 얼음에 5160개 광센서 설치한 IceCube

고에너지 중성미자 추적하는 새로운 천문학 열어

2026년 노벨 물리학상은 프랜시스 할젠(Francis Halzen) 미국 위스콘신-매디슨대 교수에게 돌아갔다.

스웨덴 왕립과학아카데미는 할젠 교수에게 “IceCube 중성미자 관측소에 대한 결정적 공헌과 천체물리학적 기원의 고에너지 중성미자 발견”을 이유로 노벨 물리학상을 수여한다고 밝혔다.

이번 수상의 핵심은 거대한 입자가속기를 새로 만든 것이 아니다. 오히려 지구 남극에 존재하는 자연 그대로의 얼음 1㎦를 거대한 입자검출기로 바꾸는 발상이었다.

할젠은 1980년대부터 남극 빙하 속에 빛 센서를 설치해 중성미자를 검출하자는 아이디어를 발전시켰다. 1988년에는 동료 존 G. 리언드(John G. Learned)와 함께 남극점 얼음 속에 중성미자 관측소를 설치하는 개념을 공식적으로 제시했다. 이후 연구자와 엔지니어들이 합류하면서 아이디어는 실제 관측소 건설 프로젝트로 발전했다.

그 결과 탄생한 것이 IceCube Neutrino Observatory다.

우주에서 날아오는 ‘유령 입자’를 잡다

중성미자(neutrino)는 전하가 없고 질량도 거의 없는 입자다. 다른 물질과 거의 상호작용하지 않기 때문에 지구와 인체를 아무런 흔적 없이 통과한다.

노벨위원회 자료에 따르면 매초 태양에서 나온 약 650억 개의 중성미자가 사람의 손톱 정도 면적을 통과한다. 그러나 대부분은 물질과 충돌하지 않기 때문에 직접 관측하기 어렵다.

바로 이 ‘잡기 어려움’이 중성미자의 가장 중요한 장점이 된다. 우주에서 날아오는 다른 입자들은 우주 공간을 이동하면서 자기장이나 물질의 영향을 받는다. 대표적으로 우주선(cosmic rays)의 양성자는 전하를 갖기 때문에 우주 자기장에 의해 이동 경로가 휘어진다.

반면 중성미자는 전기적으로 중성이어서 자기장의 영향을 받지 않는다. 따라서 고에너지 중성미자가 어디에서 왔는지를 역추적하면 우주에서 극한의 에너지로 입자를 가속하는 천체의 위치와 물리적 환경을 알아낼 수 있다. 이것이 할젠이 중성미자에 주목한 이유다.

왜 하필 남극의 얼음인가

할젠의 아이디어는 중성미자가 얼음 속 원자핵과 충돌할 때 발생하는 아주 미세한 빛의 섬광을 포착하는 것이다.

중성미자가 원자핵과 충돌하면 하전입자가 생성되고, 이 입자가 얼음 속을 이동하면서 푸른빛을 낸다. 적절한 광센서를 설치하면 이 빛의 방향과 시간 정보를 분석해 중성미자가 어디에서 왔는지 추적할 수 있다.

남극점의 얼음은 이 실험에 독특한 장점을 제공한다. 깊은 얼음 속은 어둡고, 바닷물과 달리 생물체에 의한 간섭이 없다. 방사성 물질의 영향도 낮고 얼음 자체가 안정적인 구조를 갖는다. 남극점 일대는 지질학적으로도 안정적이며 지진이 발생하지 않는다는 점도 대규모 검출기 설치에 유리했다.

쉽게 말해 할젠은 지구에서 가장 거대한 자연 검출기 가운데 하나를 발견한 셈이다.

1988년의 아이디어에서 IceCube까지

할젠은 1980년대 우주 입자를 연구하면서 남극 얼음에 중성미자 검출기를 설치하는 방안을 구상했다.

1988년 폴란드에서 열린 학술회의에서 남극점 얼음 속 중성미자 관측소의 개념을 처음 제시했다. 이후 여러 기관의 연구자들이 합류했고, 실제로 얼음 속에 광센서를 설치하는 기술 개발이 시작됐다.

첫 번째 실험은 쉽지 않았다. 연구진은 먼저 그린란드에서 센서를 얼음 속에 내려보내 입자에서 발생하는 빛을 측정할 수 있는지 시험했다. 이후 남극점에서 AMANDA라는 IceCube의 전신 프로젝트를 구축했다.

문제는 얼음이었다. 지표면에 가까운 얼음에는 기포가 많아 빛이 여러 방향으로 산란됐다. 이 때문에 초기에는 입자의 이동 정보를 정확하게 파악하기 어려웠다.

그러나 약 1,400m 아래에서 상황이 달라졌다. 얼음은 예상보다 훨씬 순수하고 투명했다. 중성미자 충돌에서 발생한 빛은 얼음 속에서 약 300m를 이동할 수 있었다. 연구진은 이를 이용해 더 큰 검출기를 만들 수 있다는 가능성을 확인했다.

1㎦ 얼음 속에 5,160개의 센서

AMANDA만으로는 우주에서 날아오는 초고에너지 중성미자를 충분히 포착하기 어려웠다. 더 큰 검출 면적이 필요했다. 그래서 등장한 것이 IceCube다.

IceCube는 남극점 아래 약 1,450~2,450m 깊이에 광센서를 설치해 약 1㎦의 얼음을 거대한 중성미자 검출기로 활용한다. 표면에는 데이터를 수집하는 시설이 있고, 얼음 속 센서에서 수집된 신호는 분석을 위해 위성으로 전달된다.

IceCube는 2011년 완성됐다. 총 86개의 케이블에 5,160개의 광센서가 설치됐다. 각각의 센서는 유리 케이스 안에 들어가며, 얼음 속에서 발생하는 미세한 빛을 전기적 신호로 변환해 지상으로 전달한다.

이 구조는 기존의 천문망원경과 완전히 다르다. 하늘을 바라보는 망원경이 아니라 지구 내부를 통과하는 입자를 기다리는 망원경이다.

2013년, 우주에서 온 중성미자를 확인하다

IceCube의 또 다른 문제는 엄청난 배경신호였다.

매일 남극 상공에서 발생한 우주선 입자 가운데 1억 개가 넘는 입자가 IceCube 센서에 기록된다. 따라서 연구진은 지구 대기에서 만들어진 중성미자와 우주 먼 곳에서 날아온 중성미자를 구분해야 했다.

연구진은 개별 사건의 방향과 에너지 등을 분석해 우주 기원의 고에너지 중성미자를 찾아냈다. 2013년, IceCube 연구팀은 우주에서 유래한 것으로 판단되는 고에너지 중성미자의 첫 증거를 발표했다.

이후 더 많은 데이터를 확보하면서 이러한 중성미자가 실제로 지구 대기나 태양 주변이 아닌 먼 우주에서 온 것이라는 사실에 대한 확신을 높였다. 이 순간부터 IceCube는 단순한 입자검출기를 넘어 새로운 천문관측 장비가 됐다.

왜 중성미자가 새로운 ‘우주의 메신저’인가

천문학자들은 오랫동안 빛과 전자기파를 통해 우주를 관측해왔다.

하지만 모든 우주 현상이 빛을 그대로 보여주는 것은 아니다. 고에너지 입자를 만들어내는 극한 환경 가운데 일부는 먼지와 물질에 가려져 감마선 등 다른 신호가 지구까지 제대로 도달하지 못할 수 있다.

중성미자는 다르다. 전하가 없기 때문에 우주 자기장에 의해 경로가 휘어지지 않는다. 또한 우주 공간을 이동하면서 먼지나 방사선에 의해 쉽게 차단되지 않는다. 따라서 중성미자의 이동 방향 자체가 그 발생원을 추적할 수 있는 단서가 된다.

이 때문에 중성미자는 우주의 가장 폭력적인 현상을 연구할 수 있는 새로운 메신저가 된다. 초신성 폭발, 활동은하핵 등 극단적인 에너지 환경에서 어떤 물리 과정이 일어나는지를 기존의 전자기 관측만으로는 알기 어려운 경우가 있다.

중성미자는 그 내부에서 발생한 입자 반응의 흔적을 직접 전달할 가능성이 있다.

‘우주 입자가속기’는 어디에 있는가

이번 노벨상의 가장 큰 과학적 질문은 여전히 남아 있다. 우주에서 자연적으로 작동하는 초고에너지 입자가속기는 무엇인가.

우주는 지구의 인간이 만든 입자가속기보다 훨씬 높은 에너지의 입자를 만들어낸다. 노벨위원회 자료에 따르면 일부 우주 입자는 지상의 실험시설에서 구현할 수 있는 에너지보다 최대 100만 배 높은 수준까지 도달할 수 있다.

그러나 과학자들은 아직 모든 우주 입자가속기의 정체와 내부 작동 원리를 밝혀내지 못했다. 고에너지 중성미자는 이 질문에 접근할 수 있는 중요한 단서다.

우주선과 중성미자는 같은 고에너지 입자반응 과정에서 만들어질 수 있다. 하지만 양성자 등 전하를 가진 입자는 자기장에 의해 경로가 휘어지는 반면 중성미자는 직선에 가까운 경로를 유지한다.

따라서 고에너지 중성미자의 방향을 역추적하면 우주 입자가속기의 위치를 찾아낼 가능성이 열린다.

NGC 1068, 그리고 아직 끝나지 않은 탐색

IceCube는 이미 잠재적인 중성미자 발생원을 찾아내고 있다. 대표적인 후보가 활동은하 NGC 1068(M77)이다.

IceCube가 관측한 중성미자 가운데 79개가 이 은하 방향에서 온 것으로 나타났지만, 노벨위원회는 아직 NGC 1068을 확정적인 중성미자 발생원으로 단정할 정도의 통계적 증거는 부족하다고 설명한다. 더 많은 중성미자를 포착할수록 발생원의 정체를 확인할 가능성이 높아진다.

최근에는 우리 은하인 은하수(Milky Way)에서 발생한 고에너지 중성미자도 관측됐다. 연구진은 이들이 별과 별 사이의 희박한 가스에 우주선이 충돌하면서 생성됐을 가능성을 보고 있다.

즉 이번 노벨상은 하나의 발견으로 끝나는 상이 아니다. IceCube가 앞으로 무엇을 발견할 것인지에 대한 기대까지 포함한다.

할젠의 진짜 공로는 ‘아이디어를 관측소로 만든 것’

노벨위원회가 할젠을 평가한 핵심에는 단순한 이론적 제안 이상의 의미가 있다.

할젠은 남극 얼음이라는 독특한 환경을 이용해 중성미자를 검출하자는 아이디어를 제시했고, 이후 AMANDA와 IceCube 프로젝트가 실제 관측장비로 완성될 때까지 핵심적인 과학적·조직적 역할을 수행했다.

노벨위원회는 할젠이 AMANDA와 이후 IceCube 프로젝트에서 아이디어 단계부터 실제 측정과 과학적 결과가 나오는 단계까지 프로젝트를 이끌어온 촉매 역할을 했다고 평가했다.

노벨 물리학위원회 의장 마크 피어스(Mark Pearce)는 할젠이 연구자와 엔지니어로 구성된 국제 공동연구팀을 이끌어 새로운 종류의 천문학을 가능하게 하는 관측 장비를 만들었다고 평가했다. 그의 끈기와 과학적 비전이 새로운 천문학의 길을 열었다는 것이다.

이번 수상은 결국 거대한 장비의 크기보다 새로운 관측 방법을 상상한 과학적 발상에 대한 평가로 볼 수 있다.

남극의 얼음은 이제 ‘우주의 눈’이 됐다

IceCube의 의미는 단순히 중성미자를 많이 검출했다는 데 있지 않다. 그동안 천문학은 빛을 중심으로 우주를 관측했다. IceCube는 여기에 중성미자라는 새로운 관측 창구를 추가했다.

노벨위원회는 중성미자 천문학이 먼지구름에 가려진 천체나 다른 전자기파가 지구에 도달하는 과정에서 사라진 매우 먼 우주 현상을 연구하는 데 새로운 정보를 제공할 것으로 기대한다.

그리고 탐색은 이제 시작 단계다. 현재 IceCube의 다음 단계로 IceCube-Gen2가 계획되고 있다. 완성될 경우 검출에 활용되는 얼음의 규모는 현재 IceCube의 약 8배인 8㎦까지 확대될 예정이다.

이는 중성미자 천문학의 목표가 단순한 ‘검출’에서 우주 입자가속기의 위치와 작동 원리를 밝히는 단계로 이동하고 있음을 의미한다.