세계 최대의 중성미자 탐지기, IceCube

ICeCube Neutrino Observatory

중성미자천문학의 역사

1988

Telescope in the Ice Envisioned

얼음 속의 망원경을 상상하다

2000

AMANDA Completed

AMANDA(Antarctic Muon And Neutrino Detector Array) 완성되다

2001

Atmospheric Neutrinos Detected

대기 중의 중성미자가 감지되다

2011

IceCube Completed

아이스큐브 완성되다

2013

Astrophysical Neutrinos Discovered

천체물리학적 중성미자 발견되다

2018

First Source Identified

첫 번째 중성미자의 소스가 확인되다

IceCube is the world’s largest neutrino detector located at the geographic South Pole,
that utilizes more than 5000 optical sensors to observe the Cherenkov light from neutrino interactions.
A hot water drill was used to melt holes in the ultra-pure Antarctic ice,
in which strings of optical sensors were deployed at a depth of 1500 m to 2500 m.
The recent discovery of high energy neutrinos consistent with being of astrophysical origin,
as well as precision measurements of neutrino oscillation parameters and competitive searches for dark matter,
have demonstrated the great potential for ice-based neutrino telescopes.
This newly completed detector is the leading scientific instrument in this emerging field,
and expected to make numerous discoveries in the coming years and offers great variety of projects for us.

ICeCube The Dom

DOM 은 고에너지 중성미자가 남극 빙하의 얼음과 반응하면서 발생하는 푸른 빛을 검출하는 장비 입니다.

현재 남극점에서 가동 중인 IceCube 중성미자 망원경은 남극점 아래에 배치된 5000여개의 DOM을 통해서 우주에서 오는 중성미자를 관측하고 있습니다.

Camera Ring

Camera Ring은 IceCube-Upgrade 프로젝트를 통해 남극 빙하의 특성을 연구하기 위해서 성균관대학교 연구진이 개발한 장비 입니다.

IceCube-Upgrade는 700여개의 새로운 광학모듈을 기존 IceCube 중간에 추가로 배치하는 검출기 확장계획이며,

이 계획의 일환으로 카메라 기반 검출기 교정 시스템인 Camera Ring이 새 광학모듈에 장착되어 남극 빙하에 배치될 예정입니다.

2017년 9월 22일 남극,

아이스큐브

2017년 9월 22일, 아이스큐브 국제 공동 연구단은 지구에서 37억 광년 떨어진 ‘블레이자(blazar)’에서 날아온 것으로 추정되는 중성미자를 관측합니다. 이 중성미자의 에너지는 3000조 전자볼트로 태양의 핵융합이나 원자력 발전소의 핵분열에서 발생하는 중성미자 에너지의 수천만 배였습니다.

‘TXS 0506+056’라고 명명된 이 블레이자의 중심에는 엄청나게 빠른 속도로 회전하는 무거운 블랙홀이 존재한다고 합니다. 이 블랙홀에서 뿜어져 나오는 두 줄기의 강력한 제트 중 한 줄기가 지구를 향하여 무수한 중성미자를 초고에너지로 쏘아 보냈고, 그걸 남극의 아이스큐브에서 관측한 것입니다.

유령입자, 중성미자

중성미자는 ‘유령 입자'라고 불릴 만큼 다른 입자들과 아주 드물게 상호 작용을 하는 데다, 매우 가벼운 질량을 가진 입자입니다. 1930년에 처음 이 입자의 존재를 수식으로 밝혀 낸 볼프강 파울리는 ‘관측할 수 없는 입자를 떠올려서 죄송하다’고 사과했다고 합니다. 현재는 가장 활발하게 관측되고 있는 입자 물리의 연구 대상 중 하나입니다. 상호 작용을 드물게 하는 성질 때문에, 중성미자를 관측하기 위해서는 매우 크면서, 밀도가 꽤 높은 매질로 만든 검출기가 필요합니다. 인간이 직접 커다란 매질을 쌓아 올리는 데에는 한계가 있기 때문에, 과학자들은 바이칼 호수, 지중해의 바닷물, 남극의 얼음처럼 이미 존재하는 자연 지형을 이용하기도 합니다.

Icecube란?

아이스큐브 중성미자검출기는 남극 얼음에 구멍을 뚫고 지하 1.5km 깊은 곳에 광센서 모듈이 17m 간격으로 줄줄이 달린 끈을 내려 보낸 다음 얼려서 만들어졌습니다.

2003년에 구멍을 뚫기 시작하여 2010년에 총 86개의 구멍을 뚫고 5160개의 광센서 모듈을 심어 아이스큐브를 완성했습니다. 1㎦의 부피를 차지하고 있는 아이스큐브는 인류가 여태껏 만든 입자검출기 중 가장 큰 것들 중 하나입니다. 아이스큐브로 북극 하늘로 떨어져서 지구 지름 6400km를 통과해서 도달하는 중성미자도 관측하고, 남극 상공으로 떨어지는 중성미자도 관측할 수 있습니다. 빙하 깊숙한 곳에서 낮에도, 밤에도 쉬지 않고 우주 전체를 바라보는 망원경인 셈입니다.

한국 성균관대 연구팀(NAPPL)은?

카르스텐 로트(Carsten Rott) 교수가 이끄는 성균관대학교 연구팀은

아이스큐브 국제 공동 연구단에 참여하고 있는 유일한 한국 소재 연구팀으로 2013년에 정식으로 합류했습니다.

성균관대학교 연구팀은 남극 얼음의 특성을 정확하게 이해하기 위한 새로운 검출기 보정(calibration) 장치의 개발에 앞장서고 있습니다.

2023년에 남극에 새로운 구멍을 뚫을 아이스큐브 업그레이드 실험에서는 광센서 모듈에 작은 카메라를 달아서 내려 보내, 얼음 사진을 찍어서 얼음의 특성을 잘 이해하고자 합니다.

현재 10명 가까이 되는 성균관대 연구진들이 수천 개의 카메라 제작에 몰두하고 있습니다.

그 외에 광센서 모듈과 함께 설치했을 때 검출기의 성능을 높여 줄 광자 트랩 등의 디자인 개발에도 참여하고 있습니다.

또한 한국 연구팀은 암흑 물질 탐색, 우주선이 태양의 대기와 충돌하며 내놓는 고에너지 중성미자 탐색 등 다양한 분야의 연구를 주도하고 있습니다.

머나먼 은하 안에 쌓인 암흑 물질이 쌍소멸하며 탄생해 먼 거리를 날아온 중성미자를 찾는 연구는 암흑 물질의 수수께끼를 풀려는 노력의 하나입니다.

NAPPL 홈페이지 바로가기

IceCUBE 홈페이지 바로가기