햇살 가득한 해안과 푸른 바다로 유명한 지중해는 그 짙은 어둠 속에 비밀을 숨기고 있다.
시칠리아 해안에서 3.5km 아래, 바닷속은 칠흑같이 어둡고 얼음처럼 차가운 데다, 마치 빈 맥주캔처럼 잠수함을 찌그러뜨릴 만큼 강력한 수압을 자랑합니다. 지상 세계의 혼란스러운 일들로부터 완전히 벗어난, 깊은 고요함이 감도는 곳입니다. 하지만 이 심연 속에서 무언가가 우리를 지켜보고 있습니다.
해저에서 솟아오른 수직 케이블에 거대한 진주처럼 매달린 수천 개의 유리 구슬들이 어둠 속에 매달려 있다. 그것들은 우주가 속삭이는 비밀을 기다리고 있다.
2023년 2월의 어느 조용한 화요일, 단 몇 나노초 동안 지속된 정체불명의 푸른 섬광이 정적을 깨뜨렸다. 그 신호는 수십억 광년을 여행하며 은하와 별, 그리고 지구 전체 질량을 통과한 후, 아직 완전히 완성되지도 않은 기계의 센서에 도달한 것이었다.
그 섬광은 220페타전자볼트(PeV)의 에너지를 가진 중성미자의 흔적이었는데, 이는 단일 아원자 입자로서는 믿기 어려울 정도로 엄청난 수치입니다. 이는 인류가 지금까지 탐지한 중 가장 높은 에너지의 중성미자였으며, 헤아릴 수 없는 위력을 지닌 우주적 대격변의 전령이었습니다.
하지만 진정한 경이로움은 입자 자체에 있는 것이 아니라, 그 입자를 포착한 기계에 있었습니다.
Decrypt 의 Emerge 편집진은 KM3NeT(입방킬로미터 중성미자 망원경) 프로젝트가 코스모스(Cosmos) 와의 관계에 근본적인 변화를 가져올 것이라는 이유로 2025년 올해의 프로젝트로 선정했습니다.
전통적인 천문학이 수 세기 동안 우주를 관측하는 방식을 다듬어 온 반면, KM3NeT는 마치 물질이 존재하지 않는 것처럼 물질을 통과하는 입자를 감지하여 우주의 핵을 관측할 수 있게 해줍니다. 우리가 이 프로젝트를 선택한 이유는 올해 발표된 220 PeV 사건의 역사적인 확인뿐만 아니라, 그 설계의 대담함 때문입니다.
KM3NeT는 지중해 심해를 세계 최대의 고에너지 물리학 실험실로 탈바꿈시킴으로써, 지구상에서 가장 험난한 환경에서도 정밀 장비를 구축하여 은하계의 가장 난해한 질문들에 대한 답을 찾을 수 있음을 입증했습니다. 이는 국제 협력, 회복력, 그리고 비전의 승리이며, 건설이 완료되기도 전에 세상을 바꿀 만한 과학적 성과를 이루어냈습니다.
이 기계가 왜 필요할까요? 우선, 중성미자의 역설을 이해해야 합니다. 흔히 "유령 입자"라고 불리는 중성미자는 우주에서 빛의 입자 다음으로 두 번째로 많은 입자입니다.
전자들은 핵반응, 즉 태양의 중심부, 죽어가는 별의 폭발, 그리고 블랙홀의 격렬한 제트 속에서 생성됩니다. 지금 이 순간에도 수조 개의 전자들이 당신의 몸을 통과하고 있습니다. 당신은 전자들을 느낄 수 없고, 전자들도 당신을 느낄 수 없습니다.
중성미자는 질량이 거의 없고 전하도 없기 때문에 전자기장과 상호작용하지 않습니다. 빛의 광자는 종이 한 장이나 벽에 부딪혀도 멈출 수 있지만, 중성미자는 수 광년 두께의 납 블록 통과해도 속도가 줄어들지 않습니다. 이러한 특성 때문에 중성미자는 완벽한 우주 메신저가 될 수 있습니다.
먼지 구름에 가려질 수 있는 빛이나 자기장에 의해 휘어지는 대전 입자와는 달리, 중성미자는 발생원에서 우리에게까지 직선으로 이동합니다. 만약 우리가 중성미자를 포착할 수 있다면, 우주의 원동력인 초신성, 블레이저, 그리고 충돌하는 뉴트론(Neutron) 별을 직접 관측하고 그 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지 정확하게 파악할 수 있습니다.
하지만 중성미자의 가장 큰 강점은 동시에 가장 큰 약점이기도 합니다. 바로 아무것도 상호작용하지 않기 때문에 포착하기가 거의 불가능하다는 점입니다. 단 몇 개라도 탐지하려면 엄청나게 큰 표적, 즉 확률 법칙에 따라 중성미자가 결국 그 안의 코스모스(ATOM) 와 충돌할 수밖에 없는 거대한 "그물"이 필요합니다. 또한 충돌로 발생하는 미세한 불꽃을 관측하려면 완벽한 암흑 환경이 필수적입니다. 지상에 그 정도 크기의 탐지기를 건설하는 것은 비용이 엄청나게 많이 들고 기술적으로도 불가능합니다.
그래서 KM3NeT의 물리학자들은 자연이 이미 만들어 놓은 검출기, 즉 바다를 빌리기로 결정했습니다.
KM3NeT의 전제는 단순하면서도 우아하지만, 실행 과정은 매우 잔혹합니다. 고에너지 중성미자가 물 속의 원자핵과 충돌하면 원자핵이 완전히 파괴되고 뮤온과 같은 수많은 2차 대전 입자가 생성됩니다.
이 입자들은 미디엄(Medium) 에서 빛이 이동하는 속도보다 훨씬 빠르게 움직입니다(진공에서의 빛의 속도보다는 느리지만). 이러한 "빛의 장벽"을 돌파하면서 체렌코프 복사라고 알려진 푸른빛 충격파가 발생하는데, 이는 본질적으로 광학적으로 음속 폭발과 같은 현상입니다.
KM3NeT 시스템은 이 순간적으로 사라지는 푸른빛을 포착하도록 설계되었습니다. 이 "망원경"은 렌즈나 거울을 사용하지 않습니다. 대신, 해저에 고정되고 수중 부표로 팽팽하게 유지되는 수백 개의 수직선, 즉 "줄"로 구성되어 있습니다. 이 줄에는 직경 약 43cm(17인치)의 내압 유리 구체인 디지털 광학 모듈(DOM)이 부착되어 있습니다.
"중성미자 망원경의 놀라운 점은 특별히 방향을 지정할 필요가 없다는 것입니다. 모든 방향에서 오는 중성미자를 포착할 수 있으며, 방향 지정은 소프트웨어로 이루어집니다."라고 프로젝트를 대표하여 폴 데종이 디크립트(Decrypt) 말했습니다.
암스테르담 대학교 교수이자 네덜란드 국립 소립자 물리학 연구소(Nikhef)의 선임 과학자인 데종은 CERN의 ATLAS 실험(힉스 보손 발견)과 같은 주요 공동 연구에서 주도적인 역할을 한 것으로 잘 알려져 있습니다. 그는 또한 KM3NeT 중성미자 망원경 프로젝트의 공식 대변인이기도 합니다.
각 구체 내부에는 놀라운 소형화 기술이 담겨 있습니다. 기존의 중성미자 검출기는 하나의 큰 광 센서를 사용했지만, KM3NeT의 DOM에는 파리의 겹눈처럼 배열된 31개의 소형 광증폭관이 들어 있습니다. 이러한 다중 눈 구조는 탁월한 방향 감도를 제공하며, 실제 중성미자 신호와 해양 생물의 발광 또는 해수에 자연적으로 존재하는 방사성 칼륨염과 같은 배경 잡음을 구별할 수 있게 해줍니다.
그 규모를 상상하기란 쉽지 않습니다. 탐지기는 하나의 단단한 물체가 아니라 1세제곱킬로미터의 물 위에 흩어져 있는 센서들의 숲과 같습니다. 케이블, 유리, 그리고 바다 자체로만 지어진 성당과도 같으며, 부르즈 할리파보다 높지만 수면에서는 완전히 보이지 않습니다.
이 계획은 실제로 우주 오케스트라의 서로 다른 주파수에 맞춰진 두 개의 독립적인 탐지기로 구성됩니다.
첫 번째 실험 시설은 프랑스 툴롱 해안에 위치한 ORCA(심연에서의 우주 진동 연구)입니다. 이곳에는 센서들이 빽빽하게 배치되어 있습니다. ORCA의 임무는 지구 반대편에서 지구를 통과한 저에너지 중성미자를 포착하는 것입니다.
ORCA는 지구 맨틀(Mantle) 통과하면서 중성미자가 어떻게 "맛"을 바꾸는지, 즉 양자역학적 형태 변화를 연구함으로써 "질량 계층" 문제를 해결하고자 합니다. 이 문제는 세 가지 유형의 중성미자 중 어떤 것이 가장 무거운지를 밝히는 것을 목표로 합니다. 다소 추상적으로 들릴 수 있지만, 이 질문에 대한 해답은 우주가 반물질이 아닌 물질로 이루어진 이유를 이해하는 열쇠가 될 것입니다.
두 번째 탐지기이자 최근 기록적인 발견이 이루어진 곳은 ARCA(심해 우주 입자 연구)입니다. 이탈리아 카포 파세로 앞바다의 심해에 위치한 ARCA는 거대한 규모를 자랑합니다. 센서들이 넓은 간격으로 배치되어 방대한 거래량 을 관측합니다. ARCA는 심우주에서 날아오는 초고에너지 입자들을 포착하도록 설계된 진정한 "망원경"입니다.
올해 초 KM3NeT 협력단이 KM3-230213A로 알려진 사건에 대한 분석 결과를 발표했을 때 과학계는 큰 충격을 받았습니다. 220 페타볼트(PeV)라는 에너지가 얼마나 큰지 이해하기 쉽게 설명하자면, 태양에서 오는 일반적인 중성미자는 메가전자볼트(MeV) 정도의 에너지를 가지고 있습니다. 1 페타볼트는 그보다 10억 배나 더 큰 에너지입니다. ARCA가 검출한 이 입자는 프로 테니스 선수가 서브한 공만큼의 운동 에너지를 코스모스(ATOM) 보다 작은 한 점에 담고 있었습니다.
이번 탐지는 이론가들이 오랫동안 의심했지만 증명할 수 없었던 사실, 즉 우주에는 대형 강입자 가속기(LHC)보다 훨씬 강력한 자연 입자 가속기가 존재한다는 것을 확인시켜 주었습니다. LHC가 수 킬로미터에 달하는 자석과 전기를 동력으로 사용하는 반면, 이 중성미자의 발생원은 은하 규모의 중력과 자기적 난류를 동력으로 합니다.
220 페타에너지(PeV)에 달하는 이 사건은 초거대 블랙홀이 지구를 향해 플라즈마 제트를 뿜어내는 블레이저에서 비롯된 것으로 추정됩니다. 이번 관측은 입자물리학의 표준 모형에 대한 기존의 이해에 새로운 지평을 열었으며, 물리 법칙이 속도 제한을 두기 전까지 도달할 수 있는 에너지의 한계에 대한 의문을 제기합니다.
KM3NeT의 성공은 물리학의 승리입니다. 이 줄들을 설치하는 것은 마치 정교한 발레와 같습니다. 각 줄은 소형 구형 발사 프레임에 감겨 특수 선박으로 해저에 내려진 후, 음향적으로 작동되어 펼쳐지면서 수백 미터 높이까지 상승합니다.
도전 과제는 끊임없습니다. 이 깊이의 압력은 350기압에 달합니다. 염수는 부식성이 매우 강합니다. 전자 장비는 단순히 잠수부를 내려 퓨즈를 교체할 수 없기 때문에 수십 년 동안 유지 보수 없이 자율적으로 작동해야 합니다. 연구팀은 해저에서 해안 기지로 테라바이트 규모의 원시 데이터를 실시간으로 전송하기 위해 새로운 광섬유 데이터 전송 시스템을 개발해야 했습니다.
2025년 초, ARCA 기지는 해저 네트워크에서 전력 공급 중단이라는 문제에 직면했습니다. 이 문제를 해결하기 위해서는 복잡한 로봇 작업이 필요했습니다. 이러한 어려움에도 불구하고, 연구팀은 굴하지 않고 계속해서 연구를 진행하고 있습니다.
데종은 "기술은 검증됐지만, 탐지기는 아직 완성된 것이 아니다"라고 인정하며, "현재 계획된 탐지기 구성 요소의 약 25%가 설치되었지만, 탐지기를 완전히 완성하려면 상당한 노력이 필요할 것"이라고 덧붙였다.
일정은 해당 과제의 규모를 반영하여 ORCA는 2030년, ARCA는 2031년을 목표로 하고 있습니다.
"포착하기 어려운 중성미자를 포착하려면 크기가 중요하므로 추가적인 거래량 필요합니다."라고 데종은 말했습니다. "심해의 어려운 환경은 여전히 해결해야 할 과제입니다."
2025년이 저물어가는 지금, KM3NeT는 여전히 성장하고 있습니다. 프랑스와 이탈리아 양쪽에 새로운 관측선이 설치되고 있습니다. 하지만 KM3NeT는 이미 그 약속을 이행했습니다. 우리는 순전히 시각적인 관측에만 의존하던 천문학 시대에서 "다중 신호"를 이용하는 천문학 시대로 진입했습니다. 이제 우리는 망원경으로 별의 폭발을 관측하고, 중력파 탐지기로 시공간의 파동을 느끼며, 중성미자 사냥꾼으로 폭발 현장에서 빠져나가는 유령 입자들을 포착할 수 있습니다.
"저는 감마선이나 중력파 같은 다른 종류의 방사선을 함께 방출하는 곳에서 나오는 중성미자를 관측하고 싶습니다."라고 데종은 미래를 내다보며 말했다. "모든 정보를 종합하면 우주를 이해하는 데 있어 진정한 진전을 이룰 수 있을 것입니다."
KM3NeT 프로젝트는 우리에게 하늘의 가장 먼 곳을 보기 위해서는 때로는 심연 속 깊은 곳을 들여다보아야 한다는 사실을 일깨워줍니다. 또한, 저 멀리 있는 천체 현상과 우리 자신의 밀접한 관계를 상기시켜 줍니다.
데종이 말했듯이, "우리는 말 그대로 별먼지입니다! 정말 멋진 발상 아닌가요?"
