심해 이정표, 우주를 향한 새로운 창 열다
중국 과학자들이 열대 심해 중성미자 망원경(TRIDENT)의 핵심 해상 시험을 성공적으로 마쳤다. 심우주에서 오는 유령 같은 아원자 입자를 탐지하도록 설계된 세계 최대 수중 관측소 건설에 중요한 진전이다. 상하이교통대는 일요일 정밀 계측기와 공학 장비가 남중국해 수심 3,500m에서 완전한 운용 능력을 입증해 수년간의 집중적인 연구·개발 성과를 확인했다고 밝혔다.
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최근 마무리된 시험에서는 해저 정밀 계측기 탄성 해제 장치(SPIDER) 시스템을 검증했다. 이 정교한 장치는 민감한 탐지 장비를 해저에 극도로 정밀하게 설치하도록 설계됐다. 시험에서 SPIDER는 목표 수심인 3,500m에서 해저 착지 시험을 마쳤고, 동적 위치 제어 선박과 함께 움직이는 시험도 수행했다. 이를 통해 향후 대규모 건설 사업에 필수적인 충격 저항력과 심해 정밀 위치 제어 능력을 모두 확인했다.
연구진은 설치 시스템 외에도 2025년 4월 처음 투입한 중성미자 환경 계류 장치를 성공적으로 회수했다. 이 장비는 극한의 수압 아래에서 장비 작동을 기록하면서 기상·해양·수문 데이터를 한 주기 동안 빠짐없이 수집했다. 센서에는 수개월간 수중에 있었음에도 생물 오염이 거의 발생하지 않았다. 연속적으로 수집된 데이터는 대형 망원경 배열의 최종 부지 선정에 활용되며, 선정된 장소가 연중 안정적인 조건을 유지하는지 확인하는 데 도움이 된다.
프로젝트팀은 항해 중 현장 시료 채취와 대용량 여과 실험도 진행해 심해 평원 생태계의 생물다양성 데이터를 폭넓게 수집했다. 이 결과는 심해 환경에서 실제 중성미자 신호를 생물학적 간섭이나 다른 배경 잡음과 구별하는 데 필요한 기준 자료가 될 뿐 아니라, 거의 탐사되지 않은 심해에 대한 해양과학의 이해를 넓히는 데도 기여할 전망이다.
이번 시험의 성공은 단순한 공학적 검증 이상의 의미를 갖는다. 중국이 지구상에서 가장 까다로운 환경 가운데 하나에 정교한 과학 기반 시설을 건설하고 유지할 기술력을 갖췄음을 보여준다. 수심 3,500m의 심해 평원은 장비를 수 시간 만에 파괴할 수 있는 강한 수압과 완전한 암흑, 영하에 가까운 온도를 특징으로 한다.
어두운 바다에서 유령 입자를 쫓다
중국어로 하이링(海铃), 즉 ‘바다의 종’으로도 불리는 TRIDENT는 과학자들이 ‘유령 입자’라고 부를 만큼 포착하기 어려운 아원자 입자, 중성미자를 잡아내려는 대담한 시도다. 중성미자는 질량이 거의 없고 전하도 없어 행성 전체를 포함한 고체 물질을 상호작용 없이 통과할 수 있다. 매초 약 1,000억 개의 중성미자가 사람 몸의 1㎠를 지나가지만, 그 흔적은 남기지 않는다.
이러한 특성 때문에 중성미자는 탐지하기 매우 어렵지만, 동시에 귀중한 우주 메신저가 된다. 자기장에 휘어지지 않고 직선으로 이동하기 때문에 중성미자는 근원으로 곧장 거슬러 올라갈 수 있으며, 우주선의 기원과 이를 만들어내는 격렬한 천체물리 현상을 밝힐 가능성이 있다. 여기에는 초신성 폭발, 은하 충돌, 활동은하핵에서 뿜어져 나오는 제트 등이 포함된다.
고에너지 중성미자가 이따금 물 분자와 충돌하면 뮤온이라는 2차 입자가 생성되고, 이 입자는 체렌코프 복사라 불리는 희미한 푸른빛을 낸다. TRIDENT는 심해에 매달아 설치한 수천 개의 초고감도 광학 센서를 이용해 순간적으로 나타나는 이 빛을 탐지한다.
극한 수심에서의 정밀 공학
최근 해상 시험은 1단계 건설에 필요한 몇 가지 핵심 기술을 검증하는 데 초점을 맞췄다. 그중에서도 SPIDER 시스템의 성과가 두드러졌다. 현재의 성공에 이르기까지 설계를 여덟 차례 수정했다. 시험 중 장치는 약 1,700m까지 내려가 센서 20개와 부력 블록 4개로 구성된 700m 길이의 줄을 풀었다. 위치를 10분간 유지하고 천천히 회전해 실제 운용 상황을 모사했다.
엔지니어들은 망원경의 핵심 탐지 장치인 하이브리드 디지털 광학 모듈(hDOM) 시제품도 시험했다. 이 첨단 센서는 미세한 중성미자 신호를 포착하고, 극도로 약한 빛 조건에서 단일 광자 수준의 정밀도를 달성해 유령 입자의 상호작용을 발견하는 데 필요한 감도를 입증했다.
또한 프로젝트팀은 심해 습식 접속기의 중국산 시스템 5종에 대해 여러 차례 수중 접속 시험을 마쳤다. 이 장치들은 수중 부표와 해저 접속함을 연결해 관측소의 데이터·전력 기반 시설에 핵심 연결망을 형성하게 된다. 탐사 기간에는 수중 음향 위치 측정 시스템도 검증했다.
혁신적인 하이브리드 센서 설계
hDOM 장치는 기존 중성미자 망원경보다 기술적으로 크게 진일보했다. 각 모듈은 기존 광전자증배관(PMT)과 최신 실리콘 광전자증배관(SiPM)을 결합해 빛 수집량을 극대화하고 수십 피코초 단위의 시간 분해능을 구현하는 하이브리드 탐지 시스템이다. SiPM은 PMT 사이의 공간을 채워 광음극 면적을 추가로 확보하고, 동시 신호 판별을 가능하게 해 신호 구분 능력을 높인다.
이 하이브리드 방식은 산란되지 않은 체렌코프 광자의 도달 시간을 TRIDENT가 정확히 측정하도록 해 탐지된 입자 궤적의 각도 분해능을 직접 향상시킨다. 과학자들은 고에너지 사건의 경우 약 0.1도의 방향 측정 정밀도를 달성할 것으로 기대한다. 이 정밀도는 확산 우주 중성미자 배경에서 개별 천체물리학적 근원을 분리하는 데 도움이 된다.
세계 최대 수중 관측소 설계
2030년대 초 완공되면 TRIDENT는 기존 모든 중성미자 관측소를 압도하는 규모를 갖추게 된다. 전체 배열은 높이 700m의 수직 센서 줄 1,211개로 구성되며, 각 줄에는 30m 간격으로 하이브리드 광학 모듈 20개가 설치된다. 이 센서 줄은 해수면 아래 2,800~3,400m 깊이에 걸쳐 배치돼 약 7.5㎦의 계측 공간을 형성한다.
센서 줄은 황금비를 적용한 펜로즈 타일링 분포를 따르며, 줄 사이 간격은 70m와 110m가 번갈아 적용된다. 연구진은 일반적인 격자 대신 이처럼 불균일한 구조를 선택했다. 시뮬레이션에 따르면 이 구조는 탐지 가능한 중성미자 에너지 범위를 넓히고 데이터 품질을 떨어뜨릴 수 있는 가장자리 효과를 줄인다. 설계에는 센서 줄 군집 사이의 나선형 통로도 포함돼 있다. 덕분에 수중 로봇이 중성미자 상호작용을 놓칠 수 있는 넓은 빈 공간을 만들지 않고도 내부 부품에 접근해 정비할 수 있다.
이처럼 거대한 규모는 현재 최대 기록을 보유한 아이스큐브보다 상당한 이점을 제공한다. 아이스큐브는 남극 얼음 약 1㎦를 관측한다. 관측 공간이 커지면 TRIDENT가 포착하는 중성미자 상호작용도 크게 늘어난다. 연구진은 세이퍼트 은하 NGC 1068 같은 일부 정상적인 천체에서 발생하는 중성미자를 가동 1년 만에 5시그마의 통계적 유의도로 탐지할 수 있을 것으로 예측한다.
중성미자 천문학에서 적도 위치가 갖는 이점
적도 부근 서태평양에 위치한 TRIDENT는 극지방이나 중위도 관측소에서는 얻을 수 없는 독특한 과학적 이점을 제공한다. 상하이교통대 리정다오연구소의 망원경 수석 과학자 쉬둥롄은 최근 프로젝트의 혁신적인 관측 전략을 설명했다.
TRIDENT는 지구를 차폐막으로 삼아 행성 반대편에서 들어오는 중성미자를 탐지할 것입니다. 적도 부근에 위치하기 때문에 지구가 자전하면서 모든 방향에서 오는 중성미자를 받아들일 수 있어 사각지대 없이 하늘 전체를 관측할 수 있습니다.
이처럼 아래를 향하는 관측 방식은 대기 뮤온에서 비롯되는 배경 복사를 걸러낸다. 대기 뮤온은 지구 전체를 통과할 수 없기 때문이다. 고에너지 중성미자만이 지구 반대편에서 관측소까지 도달할 수 있어 천체물리학적 근원을 탐지하기에 깨끗한 신호 환경이 조성된다. 관측소가 적도 부근에 있기 때문에 지구가 자전하면서 시야가 하늘 전체를 계속 훑어 극지방 탐지기에 나타나는 사각지대를 없앤다.
2021년 실시한 부지 선정 조사에서는 선택된 심해 평원이 최적의 조건을 갖춘 것으로 확인됐다. 수심 3,500m에서 해류는 초속 10cm 미만으로 느리게 흐른다. 해수의 광학적 투명도도 뛰어나 빛 흡수 길이는 약 27m, 산란 길이는 63m다. 이에 따라 체렌코프 광자는 상호작용 지점과 센서 사이를 상당한 거리까지 이동할 수 있다.
우주의 수수께끼와 기초 물리학 탐구
TRIDENT를 추진하는 과학적 목표는 유령 입자의 수를 세는 데 그치지 않는다. 프로젝트 위원장 징이펑은 최근 기자회견에서 망원경이 시공간 대칭성을 시험하고 양자중력의 증거를 탐색하며 암흑물질을 간접적으로 찾는 데 도움이 될 것이라고 설명하며 광범위한 연구 의제를 밝혔다.
핵심 임무는 우주선의 기원을 둘러싼 100년 묵은 수수께끼를 푸는 것이다. 과학자들은 고에너지 입자가 우주에서 지구로 끊임없이 쏟아진다는 사실을 1912년부터 알고 있지만, 이 입자를 극한의 에너지까지 가속하는 정확한 메커니즘과 장소는 여전히 불분명하다. 중성미자는 우주선이 탄생지 근처의 물질이나 복사와 상호작용할 때 생성되므로 이 수수께끼를 푸는 데 꼭 필요한 연결고리를 제공한다.
특정 천체에서 오는 중성미자를 탐지하면 TRIDENT는 우주 곳곳에 흩어져 있는 우주선 생산 시설을 찾아낼 수 있다. 관측소는 전자·뮤온·타우 중성미자가 천문학적 거리를 이동하는 동안 서로 어떻게 변환되는지 살펴보며 중성미자의 맛 비율도 측정한다. 이러한 진동 측정은 표준모형을 넘어서는 물리 현상을 드러내고 양자중력 효과에 대한 단서를 제공할 수 있다.
망원경은 전자 반중성미자가 원자 전자와 상호작용해 독특한 신호를 내는 특정 에너지 현상인 글래쇼 공명도 탐색한다. 이 신호는 다른 중성미자 상호작용과 구별할 수 있다. 드문 이 사건을 탐지하면 천체물리학 모형과 기초 입자물리학에 중요한 제약을 제시할 수 있다.
건설 일정과 국제적 연구 동향
프로젝트는 단계별 추진 전략을 따른다. 1단계에서는 중성미자 탐지 센서 줄 10개를 설치해 소형 배열을 구성하고, 2026년경 기술 실증을 진행할 예정이다. 시범 운영이 성공하면 센서 줄 1,211개로 구성된 전체 배열 건설에 착수하며, 완공된 관측소는 2030년대 초 운영을 시작할 것으로 예상된다.
하이브리드 광학 모듈과 센서 줄 시스템을 대량 생산하기 위해 항구 도시 싼야에 전용 제조 시설을 건설할 예정이다. 이 시설에서 완성된 부품은 홍콩에서 남쪽으로 약 540km 떨어진 설치 장소까지 편리하게 운송할 수 있다.
TRIDENT는 확장 중인 세계 중성미자 관측소 네트워크에 합류한다. 러시아의 바이칼 GVD는 현재 바이칼호에서 운영 중이며, KM3NeT 프로젝트는 지중해에서 건설되고 있다. 남극점의 아이스큐브 관측소는 남극에서 운영을 이어가고 있고, 제안 단계인 태평양 중성미자 실험(P-ONE)은 동태평양에 설치될 가능성이 있다. 각 관측소는 저마다의 이점을 갖고 있으며, TRIDENT의 적도 위치는 북반구와 남반구 탐지기가 관측하는 하늘을 보완한다.
베이징 고에너지물리연구소, 중국해양대, 중국과학기술대 등 중국 내 12곳이 넘는 대학과 연구기관이 프로젝트에 참여하고 있다. 입자물리학, 천문학, 해양공학, 해양생물학 분야의 전문성을 결합하는 협력 방식으로 심해에 입자물리학 연구소를 건설하는 다학제적 과제에 대응하고 있다.
핵심 내용
- 중국 과학자들이 남중국해 수심 3,500m에서 TRIDENT 중성미자 망원경 장비를 성공적으로 시험해 SPIDER 설치 시스템과 하이브리드 광학 센서를 검증했다
- SPIDER 시스템은 해저 착지 시험과 선박 연동 이동 시험을 마쳤으며, 하이브리드 디지털 광학 모듈은 단일 광자 수준의 탐지 정밀도를 달성했다
- 2030년대 초 완공되면 TRIDENT는 1,211개 센서 줄을 통해 7.5㎦를 관측해 세계 최대 중성미자 관측소가 된다
- 적도에 위치한 망원경은 지구를 차폐막으로 활용하고, 지구 자전에 따라 사각지대 없이 하늘 전체를 관측할 수 있다
- 과학자들은 본격 가동 후 1년 안에 특정 우주 중성미자 근원을 확인할 수 있을 것으로 기대하며, 우주선의 기원과 양자중력, 암흑물질 연구의 진전을 전망한다
- 센서 줄 10개를 갖춘 시범 배열은 2026년경 설치될 예정이며, 싼야에 제조 시설을 건설할 계획이다
