지바대의 아이스큐브 연구, 프랜시스 할젠의 2026년 노벨 물리학상 수상에 기여

세계적 성과를 함께 이룬 일본 유일의 아이스큐브 연구팀

위스콘신대 매디슨 캠퍼스의 프랜시스 할젠(82)이 아이스큐브 중성미자 관측소와 먼 우주 천체에서 온 고에너지 입자 발견을 인정받아 2026년 노벨 물리학상을 수상했다. 10월 6일 발표된 이번 수상은 일본에서 유일하게 협력 연구에 참여한 지바대가 2002년부터 기여해 온 과학적 노력도 인정한 것이다.

스웨덴 왕립과학원은 노벨상 발표문에서 할젠이 “아이스큐브 중성미자 관측소와 천체물리학적 기원의 고에너지 중성미자 발견에 결정적으로 기여한 공로”로 수상했다고 밝혔다. 상금은 스웨덴 크로나 1,200만 크로나다.

지바대는 최초의 우주 중성미자 신호를 식별하는 일부터 남극점 빙하 아래에 매설된 관측 장비 제작까지 기여했다. 연구진은 중성미자와 먼 은하를 연결하는 데 힘을 보탰고, 희귀한 반중성미자 상호작용을 처음 검출하는 연구에 참여했으며, 아이스큐브의 최신 업그레이드에 설치된 광학 검출기 600여 개 가운데 약 40%를 제작했다.

지바시 지바대 니시치바 캠퍼스에서 10월 6일 열린 기자회견에서 국제강입자천체물리학센터 소장인 요시다 시게루 교수(60)와 이시하라 아야 교수(52)가 수상을 환영했다. 이시하라는 나고야에서 온라인으로 참석했다.

노벨상은 할젠 개인에게 수여됐다. 그러나 관측소의 성과는 14개국 58개 기관, 약 450명의 과학자가 참여한 국제 공동 연구의 결실이다. 지바대의 역할은 소규모 연구팀이 관측 결과 해석과 차세대 장비 설계 모두에서 어떻게 핵심 역할을 맡게 됐는지를 보여준다.

1988년 구상에서 1㎦ 관측소까지

할젠은 1988년 남극점의 얼음을 이용해 중성미자를 검출하겠다는 구상을 처음 발표했다. 1944년 벨기에 티에넨에서 태어난 그는 1969년 뢰번가톨릭대에서 박사학위를 받고 위스콘신대 매디슨 캠퍼스 교수가 됐다. 그의 제안은 기존의 실험실 용기를 만드는 대신 거대한 자연 얼음층을 입자 검출기로 활용하는 것이었다.

완공된 관측소는 아문센-스콧 남극점 기지 아래 1㎦의 얼음을 측정한다. 초기 검출 배열은 86개 케이블에 광학 모듈 5,160개를 배치했으며, 케이블마다 모듈 60개가 설치됐다.

건설은 2004년 시작됐다. 완공 시점은 자료마다 다르게 제시된다. 지바대의 사업 연혁은 2010년 12월 공사가 끝났다고 기록한 반면, 노벨상 발표문은 아이스큐브가 2011년 완공됐다고 설명한다. 86개 검출기 줄 전체가 가동을 시작한 것은 2011년으로, 설치 완료와 전체 배열을 이용한 관측 시작은 구분된다.

초기 건설 비용은 2억7,100만 달러로 알려졌으며, 재원의 대부분은 미국 국립과학재단(NSF)이 부담했다. NSF는 수상 관련 발표문에서 20년 넘게 아이스큐브의 설계와 건설, 운영에 투자했다고 밝혔다. 미국 남극 프로그램은 외딴 기지에서의 건설을 지원했다.

노벨 물리학위원회 위원장인 마르크 피어스는 구상을 실제 관측소로 구현한 할젠의 리더십을 높이 평가했다.

프랜시스 할젠은 환상적인 장비를 우리에게 제공한 국제 연구자·엔지니어 팀을 이끌었습니다. 그의 끈기와 과학적 비전은 새로운 형태의 천문학을 열었습니다.

대개 지구를 그대로 통과하는 입자를 얼음으로 검출하는 법

중성미자는 전하가 없고 물질과 상호작용하는 일이 극히 드물다. 대부분은 검출 가능한 흔적을 남기지 않고 지구를 통과한다. 이 때문에 관측하기는 어렵지만 유용한 메신저가 되기도 한다. 자기장이 전하를 띤 우주 입자의 경로를 휘게 하는 것과 달리, 중성미자의 경로는 휘지 않기 때문이다.

검출기가 중성미자를 직접 촬영하는 것은 아니다. 중성미자가 원자핵이나 전자와 드물게 상호작용하면 전하를 띤 입자가 만들어진다. 이 입자들은 체렌코프광을 방출할 수 있다. 체렌코프광은 전하를 띤 입자가 어떤 물질 안에서 그 물질을 통과하는 빛보다 빠르게 움직일 때 생기는 희미한 빛이다.

아이스큐브의 광학 센서는 이 빛의 도달 시각과 밝기를 기록한다. 연구자들은 측정값을 이용해 입자가 들어온 방향과 에너지를 추정한다. 중성미자 상호작용이 드문 점은 거대한 관측 규모로 보완한다.

지바대의 아이스큐브 사업 설명에는 초기 모듈의 설치 깊이가 1,450~2,450m로 나와 있다. 다른 자료에는 1,400~2,600m 등 더 넓은 범위가 제시돼 있다. 최신 업그레이드에서는 2,600m 깊이까지 시추했는데, 이는 공사 깊이로 초기 센서의 설치 위치와 혼동해서는 안 된다.

모듈에는 미세한 섬광을 측정 가능한 전기 신호로 바꾸는 광전자증배관이 들어 있다. 일본 하마마쓰에 본사를 둔 하마마쓰 포토닉스는 아이스큐브 검출기에 쓰이는 광전자증배관을 개발해 대학 연구진과 더불어 일본 산업계도 기여했다.

빛을 검출하는 것은 첫 단계일 뿐이다. 위스콘신 아이스큐브 입자천체물리학센터에서 데이터 처리와 시뮬레이션을 조정하는 후안 카를로스 디아스 벨레스는 아이스큐브가 검출하는 중성미자 한 개당 우주선이 만들어낸 뮤온을 100만 개 넘게 검출한다고 밝혔다. 뮤온은 전하를 띠고 밝은 흔적을 남길 수 있어, 중성미자 사건을 가려내려면 이처럼 방대한 배경 신호를 분석해야 한다.

디아스 벨레스에 따르면 관측 자료 처리와 시뮬레이션 생성에는 분산 컴퓨팅 네트워크를 통해 약 1만 개의 CPU 코어와 그래픽처리장치(GPU) 1,000개가 동원된다. NSF 역시 연구자들이 아이스큐브의 측정값을 해석하는 데 컴퓨팅 시설이 기여했다고 밝혔다.

지바대의 첫 신호와 발견 시점

지바대에 따르면 아이스큐브 협력이 결성된 2002년부터 연구팀이 참여했다. 요시다는 1990년대부터 할젠을 알고 지냈지만, 사업에 합류할 때는 불확실성이 컸다. 그는 지바대의 수상 관련 입장문에서 중성미자가 고에너지 우주를 관측하는 실용적인 수단이 될 수 있을지에 대해 회의적인 시각이 널리 퍼져 있었다고 회고했다.

이시하라는 2004년 박사학위를 받은 뒤 2005년 1월 위스콘신 연구팀에 합류했고, 2006년 연구 거점을 지바대로 옮겼다. 그는 인력과 예산이 제한된 팀이 독자적인 분석 전략을 개발해 규모가 훨씬 큰 공동 연구에서 차별화된 기여를 했다고 설명했다.

이 전략은 특히 에너지가 높은 두 사건을 식별하는 데 도움이 됐다. 지바대의 상세 사업 연혁은 사건 발생 시점을 2011년 8월과 2012년 1월로 기록하고 있으며, 측정 에너지는 각각 1.04 ± 0.16페타전자볼트와 1.14 ± 0.17페타전자볼트다. 페타전자볼트(PeV)는 1,000조 전자볼트로, 입자 에너지를 측정하는 단위다.

대학은 2012년 6월 국제 학술대회에서 초기 연구 결과를 발표했다. 2013년 7월에는 《피지컬 리뷰 레터스》에 논문이 실렸고, 2013년 12월에는 더 폭넓은 분석 결과가 《사이언스》에 게재됐다. 이 과정을 보면 지바대가 2012년 발견이라고 설명하는 반면 NSF와 아이스큐브의 노벨상 발표문은 주요 발견 시점을 2013년으로 언급하는 이유를 알 수 있다.

초기 두 사건의 시점은 자료마다 다르다. 한 자료는 검출 시점을 2013년과 2014년으로 제시하지만, 지바대의 상세 기록에는 2011년과 2012년으로 나와 있다. 대학 연혁에는 에너지 수치도 다르게 요약된 부분이 있지만, 개별 사건 항목에는 위와 같이 수치와 오차가 기재돼 있다.

추가 분석에서는 초기 두 사건에 26개 사건이 더해졌다. 지바대 자료에 따르면 28개 가운데 배경 사건은 약 11개로 예상됐으며, 에너지와 형태, 도착 방향을 분석한 결과 4표준편차를 넘는 통계적 신뢰도로 우주에서 비롯된 사건이라고 판단할 수 있었다.

지바대는 새로 관측된 에너지 범위를 1987년 가미오칸데에서 관측한 중성미자와 비교해 약 1억 배 높다고 설명한다. NSF는 검출된 중성미자의 에너지가 이전에 관측된 중성미자보다 100만 배 넘게 높다는 더 포괄적인 설명을 제시한다. 두 비교는 기준점이 다르므로 같은 측정값으로 간주해서는 안 된다.

중성미자를 따라 먼 은하까지

우주 중성미자의 발견은 자연의 입자 가속기가 중성미자를 만들어낸다는 사실을 확인해 줬다. 그 근원을 알아내려면 한 단계가 더 필요했다. 중성미자의 도착 방향 추정치와 다른 관측 장비의 관측 결과를 결합해야 했다.

일본 시간으로 2017년 9월 22일, 아이스큐브는 IC170922A로 알려진 사건을 검출했다. 감마선 위성과 광학 망원경이 경보에 따라 후속 관측을 진행했고, 이 사건은 초대질량 블랙홀과 연관된 블레이자 TXS 0506+056과 연결됐다. 연구 결과는 2018년 발표돼 《사이언스》에 게재됐다.

블레이자는 강력한 제트가 지구를 향하는 활동성 은하핵이다. 최초 발표는 2018년 결과를 해당 중성미자가 블레이자에서 왔을 가능성을 보여주는 증거라고 설명한다. 지바대는 이를 중성미자 근원을 처음 확인한 사례라고 부르고, NSF는 다른 은하의 초대질량 블랙홀에서 중성미자가 온다는 결정적 증거가 2018년에 나왔다고 설명한다.

이 연결은 연구자들이 다중신호 천문학이라고 부르는 방식에 기반했다. 같은 우주 활동을 중성미자와 여러 형태의 전자기 복사 등 서로 다른 신호로 연구하는 것이다. 중성미자는 빛만으로는 얻을 수 없는 정보를 제공했고, 망원경 관측은 해당 방향에 있는 천체를 식별하는 데 도움이 됐다.

고에너지 우주 관측을 전문으로 하는 히로시마대 후카자와 야스시 교수는 지바대가 검출기 개발과 조립뿐 아니라 전 세계 관측소에 중성미자 정보를 신속하게 전달하는 시스템 구축에도 기여했다고 평가했다. 이 경보 시스템 덕분에 여러 관측소가 연계해 후속 관측을 할 수 있었다.

아이스큐브는 이후 NGC 1068, 즉 메시에 77 은하에서도 중성미자 방출 증거를 보고했다. NSF에 따르면 2023년에는 우리 은하의 중성미자 관측을 발표해 중성미자로 은하수를 그린 최초의 영상을 만들었다. 이는 고립된 입자를 검출하는 수준을 넘어 그 근원을 지도화하는 방향으로 연구가 발전하고 있음을 보여준다.

희귀한 반중성미자 상호작용으로 입자물리학 검증

지바대는 2021년 《네이처》에 발표된 성과에도 기여했다. 전자 반중성미자를 통해 글래쇼 공명을 처음 검출한 것이다. 반중성미자는 중성미자의 반물질 짝이다.

글래쇼 공명은 전자 반중성미자가 전자와 충돌해 약한 상호작용에 관여하는 입자인 W 보손을 생성하는 현상으로 예측돼 있다. 이 현상을 관측해 알려진 기본 입자와 그 상호작용을 설명하는 이론인 표준모형의 예측을 검증했다.

이 성과는 아이스큐브의 두 가지 역할을 보여준다. 고에너지 입자를 만들어내는 우주 환경을 연구하는 동시에, 인간이 만든 가속기로 조사하기 어려운 에너지 영역에서 입자를 활용해 기본 물리학을 검증할 수 있다.

중성미자 진동 발견으로 2015년 노벨 물리학상을 공동 수상한 도쿄대 가지타 다카아키 교수는 할젠의 수상을 환영했다. 가지타는 아이스큐브가 우주선의 기원과 가속 과정을 이해하기 위해 오래 기다려 온 진전이라고 평가했다.

1월에 새 검출기 600여 개 설치

이번 수상은 지바대의 공학적 기여가 크게 확대된 뒤 나왔다. 지바대가 2월 13일 발표한 업그레이드 완료 소식에 따르면 설치 작업은 2026년 1월 21일 마무리됐다.

약 40명의 연구자와 엔지니어로 구성된 특별팀이 2025년 11월 말부터 약 2개월 반 동안 작업했다. 이들은 깊은 구멍 6개를 뚫고 기존 검출기 중심부에 새 광학 모듈 600여 개를 설치했다.

새 모듈 가운데 약 40%는 지바대 국제강입자천체물리학센터가 10년 넘게 설계하고 제작한 D-Egg 검출기다. 독일과 미국 연구팀은 또 다른 유형인 mDOM을 공급했다.

D-Egg 하나에는 감도가 높은 광센서 두 개가 유리 케이스 안에서 서로 반대 방향을 향하도록 들어 있다. 위와 아래에서 오는 빛을 포착하면 빛의 방향과 세기를 측정하는 데 도움이 된다. 케이스는 더 좁은 시추공에도 들어갈 수 있다. 제조를 이끈 이시하라는 남극 설치팀에도 합류했다.

공사 일정은 빠듯했다. 뜨거운 물을 이용한 시추 작업으로 2,600m 깊이의 구멍을 뚫고 모양을 만드는 데 약 60시간이 걸렸다. 이후 설치팀은 통로가 얼어 닫히기 전에 연결된 검출기 약 110개를 30시간 안에 내려보내야 했다.

대학은 지바대에서 제작한 시험용 검출기 5개도 설치해 아이스큐브-젠2 개발에 활용할 계획이라고 밝혔다. 일본 기업과 대학원생, 젊은 연구자들이 검출기 개발과 제작에 참여해 일본의 기여가 데이터 분석을 넘어 확대됐다.

저에너지 중성미자 관측 범위 확대

이번 업그레이드에서는 센서를 더 촘촘하게 배치해 저에너지 중성미자가 내는 희미한 빛도 검출할 수 있도록 했다. 기가전자볼트(GeV) 영역을 대상으로 삼는 동시에 주변 얼음을 통과하는 빛을 더 잘 측정한다. 얼음에 대한 이해가 높아지면 중성미자의 도착 방향을 더 정확하게 재구성할 수 있다.

지바대는 업그레이드된 검출기의 유효 검출 부피가 물 약 200만t에 해당하며, 슈퍼카미오칸데의 약 5만t과 비교된다고 밝혔다. 두 수치를 비교하면 약 40배 차이다. 다만 두 검출기는 배치와 관측 방식이 다르므로 부피만으로 감도나 정밀도가 결정되지는 않는다.

센서 배열이 촘촘해지면서 초고에너지 천문학으로 알려진 시설의 관측 범위가 다른 입자 에너지 영역까지 넓어진다. 지바대는 거대 항성의 중력 붕괴와 블랙홀 형성 때 방출되는 중성미자를 연구 대상으로 꼽았지만, 이는 이미 관측된 현상이 아니라 앞으로 가능성이 있는 연구 주제다.

관측 일정은 점차 구체화됐다. 지바대는 2월 발표에서 얼음이 다시 언 뒤 통신 점검과 보정, 검출기의 정밀 위치 조정을 마치면 2026년 여름께 관측을 시작할 것으로 예상했다.

그러나 아이스큐브는 10월 노벨상 수상 발표에서 업그레이드 장비의 첫 과학 데이터가 2026년 후반에 나올 것으로 전망했다. 여름부터 본격적인 과학 관측이 시작됐다는 내용은 확인하지 않았다.

제안 단계인 아이스큐브-젠2는 현재 관측소보다 부피가 8배 큰 광학 검출 배열을 갖추고, 더 높은 에너지의 중성미자를 검출하기 위한 전파 관측 장비도 추가할 계획이다. 다만 아직 제안 단계이며 발표 자료에는 착공 또는 완공 시점이 제시되지 않았다.

수상으로 이어진 주요 이정표

아이스큐브의 역사는 하나의 발견 날짜로 뭉뚱그려지곤 하는 여러 단계를 구분해 보여준다. 장비 제안, 건설, 사건 기록, 분석 결과 발표, 논문 게재는 각각 별개의 과정이다.

• 1988년: 할젠이 남극점 중성미자 검출 구상을 처음 발표한다.
• 2002년: 아이스큐브 협력이 결성되고 지바대가 일본 유일의 참여 기관으로 합류한다.
• 2004~2011년: 건설을 시작해 관측소 전체가 가동에 들어간다.
• 2011~2013년: 주요 초기 사건을 기록하고, 2012년 6월 발표한 뒤 2013년 학술지 논문으로 소개한다.
• 2017~2018년: IC170922A 사건을 계기로 블레이자 TXS 0506+056과의 연관성을 확인하고 연구 결과를 발표한다.
• 2021년: 글래쇼 공명 최초 검출 결과를 발표한다.
• 2023년: 아이스큐브가 은하수의 중성미자 관측 결과를 발표한다.
• 2026년 1월 21일: 아이스큐브 업그레이드 장비 설치를 마친다.
• 2026년 10월 6일: 할젠의 노벨 물리학상 수상 소식이 발표된다.

요시다에 따르면 협력 연구진은 처음 5개국에서 출발해 현재 14개국으로 늘었다. 지바대의 사업 페이지에는 2020년 기준 12개국 53개 기관의 연구자 약 300명이 참여한 것으로 기록돼 있으며, 현재는 58개 기관에서 약 450명이 함께하고 있다.

아이스큐브 책임연구자인 할젠은 수상 소감에서 공동의 노력을 핵심으로 꼽았다.

이 훌륭한 공동 연구진이 마땅히 받아야 할 인정을 마침내 전할 수 있어 큰 안도감을 느낍니다.

지바대의 다음 구체적인 이정표는 2026년 후반으로 예상되는 업그레이드 장비의 첫 과학 데이터 공개다. 연구진은 제안된 대형 관측소 준비도 이어가면서 아이스큐브가 검출하는 입자를 만들어내는 우주 가속원을 계속 찾고 있다.

주요 내용

• 프랜시스 할젠이 아이스큐브와 우주 중성미자 발견에 기여한 공로로 2026년 노벨 물리학상을 받는다.
• 지바대는 2002년부터 참여해 온 공동 연구의 일본 유일 기관이다.
• 지바대는 초기 우주 신호와 블레이자 근원, 글래쇼 공명 최초 사건을 확인하는 데 기여했다.
• 기존 관측소는 남극 얼음 1㎦에 광학 모듈 5,160개를 설치해 운용한다.
• 새로 설치한 업그레이드 검출기 600여 개 가운데 약 40%를 지바대가 제작했다.
• 최신 일정에 따르면 업그레이드 장비의 첫 과학 데이터는 2026년 후반에 나올 전망이며, 아이스큐브-젠2는 아직 제안 단계다.