Jay 发自 凹非寺
양자위(量子位) | 공식 계정 QbitAI
방금 노벨 물리학상 수상자가 발표되었습니다.
이번에는 어떠한 공동 수상도 없이, 수상자는 단 한 명으로 미국 위스콘신 대학교 매디슨 캠퍼스 출신의Francis Halzen(프랜시스 하르첸).
이 대학을 모르더라도 중국 과학기술 인터넷 분야의 유명한 동문이 있다는 것은 알고 있을 것이다——
핀둬둬(拼多多) 창업자인황정。
그렇다면 Francis는 대체 왜 상을 받은 것일까?
공식 측은 이렇게 말합니다:
남극 아이스큐브(IceCube) 중성미자 천문대에 대한 결정적 기여와 천체물리학적 기원을 지닌 고에너지 중성미자의 발견을 기리기 위한 것입니다.
구체적으로 말하면, 그는 남극 지하 2000미터 이상 깊은 곳의1세제곱킬로미터순수한 빙결층을, 우주의 유령 입자를 포착하는 장치로 억지로 바꾸어 놓은초대형 망원경。。。
오늘날 남극에는 심지어 그의 이름을 딴 고지가 있는데, 이름은 다음과 같다할젠 메사。
왜 남극의 깊은 얼음 속에서 '유령'을 잡으려 할까요?
우주에는 물리학계를 백 년 동안 괴롭혀 온 궁극적인 수수께끼가 하나 있습니다. 그 엄청나게 높은 에너지를 지닌 우주선은 대체 어디에서 방출된 것일까요?
우주에는 천연 입자 가속기가 존재하는데, 그곳에서 분출되는 양성자의 에너지는 지구 실험실의 가장 강력한 가속기보다 수백만 배나 높습니다. 그러나 양성자는 전하를 띠고 있어 우주를 질주할 때 성간 자기장에 의해 방향이 마구 뒤틀리기 때문에, 지구에 도착했을 때는 어느 방향에서 왔는지 아무도 구분할 수 없습니다.
진정한 근원지를 찾으려면 어떻게 해야 할까?
물리학자들이 중성미자에 주목하고 있다.
뉴트리노는 우주에서 가장 수줍음 많은 입자로, 전하를 띠지 않고 질량도 극히 미미합니다. 매초마다650억 개태양에서 온 중성미자가 엄지손톱을 통과하지만 당신은 전혀 느끼지 못합니다.
고에너지 양성자가 가속되는 곳에서는 종종 고에너지 중성미자가 함께 생성된다. 중성미자는 전하를 띠지 않아 자기장의 간섭을 받지 않고, 성간 먼지에 의해 가로막히지도 않으며, 마치 곧게 뻗은 표적처럼 우주 깊은 곳의 발원지를 곧장 가리킨다.
하지만 어떻게 잡을 수 있을까요?
중성미자는 이따금 원자핵과 충돌하여 대전 입자를 만들어내고 극히 미약한 푸른빛을 방출합니다. 매질이 충분히 투명하고 부피가 충분히 크기만 하면 광센서로 그 궤적을 기록할 수 있습니다.
심해는 투명하지만 속에는 살아 움직이는 생체 발광이 있고 해류의 방해도 있습니다. Halzen는 1980년대에 대담한 아이디어를 제안했습니다: 남극으로 가서 천연 빙층을 이용하자!
뜨거운 물로 2.5km 깊이의 우물을 녹여내어 1세제곱킬로미터 빙하 아래 거대한 눈을 만들다
얼음과 눈이 뒤덮인 남극에서 입자를 포획한다는 것은 천방 night담처럼 들린다.
남극 깊숙한 곳의 빙하는 완전히 어둠 속에 있어 해양 생물이 방해할 일이 없고, 지질 구조가 극도로 안정적이며 지진의 영향도 없다. 유일하게 골치 아픈 문제는 다음과 같다. 2,000미터가 넘는 두꺼운 빙하 속에 어떻게 센서를 넣을 것인가?
연구진은 극도로 하드코어한 방법을 고안해냈습니다. 바로 특수 제작된 고온 고압 온수 드릴로 남극 빙하에 2,000여 미터 깊이의 깊은 구멍들을 녹아낸 뒤, 빛 감지 센서를 가득 단 케이블을 빙하 속 물로 신속히 가라앉히는 것입니다.
Halzen은 이 센서들을 역방향 전구에 비유했다. 이들은 빛을 내는 것이 아니라, 미약한 빛 신호를 포착하여 전기 신호로 변환하는 역할을 한다.
초기의 선구 실험인 AMANDA가 막 시작되었을 때, 모두 마음속으로 불안해하고 있었습니다. 얕은 얼음층에는 미세한 기포가 가득하여 빛이 들어가면 사방으로 흩어져 버렸습니다.
그러나 드릴 비트가 다음 깊이로 내려갔을 때1400미터아래로 내려가면 기적 같은 일이 벌어집니다——높은 압력이 기포를 모두 으깨서 밀어내고, 그 아래의 얼음층은 순수하고 투명해서 경탄할 만큼입니다. 중성미자 충돌로 생긴 푸른빛은 얼음 속에서 심지어 전파될 수 있는데300미터격렬하게 흡수되었다!
타당성을 검증한 후, IceCube가 본격적으로 가동을 시작했습니다.
2011년에 완공되었을 때, IceCube 전체는 남극 얼음 아래 깊이 매설되어 있었다1450미터에서 2450미터사이에, ~에 의해86개 케이블、5160개의 광학 센서으로 구성되어, 온전히1세제곱킬로미터의 천연 빙하가 전례 없는 중성자 망원경으로 변했다.
우주의 유령을 포획하다, 천문학의 새로운 문을 열다
이 거대 망원경이 있어도 심우주에서 오는 신호를 찾는 일은 여전히 바다에서 바늘 찾기와 같다.
매일 남극 상공 대기에서 온 수억 개가 넘는 우주선 입자가 탐지기를 통과하고, 지구 반대편 대기에서 온 수백 개의 중성미자가 지각을 뚫고 들어온다.
막대한 배경 소음 속에서 진정으로 먼 우주에서 온 고에너지 중성미자를 걸러내는 것은 데이터 처리 난이도가 너무나 어마어마하다.
2013년IceCube 팀은 마침내 태양계 밖에서 온 고에너지 우주 중성미자를 처음으로 명확히 포획했다고 발표했다. 이 돌파구는 그해 《Physics World》 올해의 돌파구 대상을 직접 수상했다.
이후 몇 년 동안 핵심 증거가 잇달아 나타났다:
과학자들은 활동 은하NGC 1068(M77) 방향에서 79개의 중성미자 후보 신호를 기록해 잠재적 극단적 천체 근원을 특정했다.
2023년, IceCube 팀은 처음으로 은하 평면의 고에너지 중성미자 이미지를 작성해, 인류가 중성미자라는 눈을 통해 처음으로 은하수의 전모를 보게 했다.
천문학은 가시광선, 전파, X선, 중력파를 거친 뒤, 고에너지 중성미자 천문학의 문이 완전히 열렸다.
노벨상 수상자 그 사람: 강자 물리학에서 얼음 밑 망원경 건설까지
노벨 물리학상을 단독 수상한 이 물리학자 Francis Halzen은 올해 82세이다.
그는 1944년 벨기에 티넨에서 태어났고, 1969년 벨기에 루뱅 대학교(KU Leuven)에서 박사 학위를 받았으며, 초기에는 쿼크로 이루어진 무거운 입자와 강자 물리학에서의 대칭성 깨짐을 주로 연구했다.
박사후 연구를 마친 후 그는 미국 위스콘신 대학교 매디슨 캠퍼스로 가 1972년부터 오랫동안 그곳에서 물리학과 교수로 재직했다.
그가 다른 사람과 공저한 고전 교재 《Quarks and Leptons》는 전 세계 여러 세대 입자물리학 학생들의 성장과 함께해 왔다.