2-6. 거대한 수소핵융합로 태양과 중성미자

태양은 거대한 수소폭탄이고 수소핵융합 원자로이다. 태양에서는 지금 이 순간에도 1초에 4억3천만 톤이나 되는 수소가 핵융합반응을 일으키면서 막대한 빛과 에너지를 쏟아내고 헬륨으로 변한다. 그리고 아인슈타인의 상대성이론 공식 E=mc²에 따라 질량손실만큼 에너지가 쏟아져 나온다. 그렇게 엄청난 양의 수소를 소모하면 태양이 금방 없어지는 거 아닐까? 걱정 마시라 태양은 지금까지 45억년 동안 겨우 0.05%의 질량이 줄어들었을 뿐이다. 앞으로도 50억년은 끄떡없이 수소핵융합반응을 계속할 것이다.

그런데 태양에서 수소핵융합반응이 일어나는 순간 막대한 양의 중성미자(中性微子, 뉴트리노, neutrino)가 안개비처럼 무수히 쏟아져 나온다. 이 중성미자들은 너무나 작기 때문에 아무런 장애를 받지 않고 태양으로부터 광속으로 달려 나와 모든 물체를 거침없이 통과해버린다. 마치 빛이 투명한 물체를 지나가는 것처럼, 아무것도 아니라는 듯이, 중성미자는 분자도, 원자도, 우리의 몸도, 집도, 철판도, 바위도, 지구도 그냥 관통해 지나가버린다. 지금도 손톱보다 조금 큰 1평방인치 면적마다 1초당 1,000억 개씩 중성미자들이 우리를 꿰뚫고 지나가고 있단다. 도대체 얼마나 많은 중성미자들이 나의 몸을 관통하여 지나가고 있다는 말인가!

미국 유타주에는 암염으로 생성된 지하동굴들이 많다. 지하 수백, 수천 미터의 동굴은 외부의 간섭이 없는 완벽한 암흑의 실험실이 된다. 그런데 이 지하동굴에 물탱크들이 설치되고 중성미자의 흔적을 검출하는 장치들이 있단다. 태양에서부터 날아와 지구를 통과하는 1평방인치당 1초에 1,000억 개나 되는 중성미자들이 더러는 원자핵의 양성자, 중성자들을 정통으로 맞히기 때문에 그 흔적을 검출하는 것이란다. 이 중성미자 흔적의 세기로 태양활동의 강도(强度)를 실시간으로 관측할 수 있다고 한다. 일본에서는 수퍼카미오칸데 중성미자검출기로 중성미자와 암흑에너지를 연구하고 있다.

한국에도 비슷한 실험장치가 생겼다. 필자가 건설에 참여한 전남 영광원자력발전소 앞산인 금정산기슭 지하에 중성미자 탐측시설을 만들었단다. 그런데 태양으로부터 날아오는 중성미자가 아니라 영광원자력발전소의 원자로에서 핵분열로 나오는 중성미자를 탐측, 연구하는 물리학 기초연구란다. 양양군 점봉산 양양양수발전소 지하 800 미터 터널에도 중성미자 탐측설비를 설치했고 또 정선군 예미산 한덕철광 지하 1,100 미터에 공간을 확보하여 중성미자와 암흑물질을 연구하는 시설을 만든다고 한다. 
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