[표지로 읽는 과학] 태양 핵융합 ‘중성미자’ 첫 검출

2020.11.28 06:00
네이처 제공
네이처 제공

과학자들이 태양의 탄소질소산소(CNO) 순환 핵융합 반응으로 만들어진 중성미자를 검출하는 데 성공했다. 이같은 태양 핵융합 반응으로 만들어진 중성미자 검출은 태양의 구조와 그 중심에 있는 다양한 구성요소에 대한 새로운 이해의 지평을 넓힐 수 있다. 

 

국제학술지 네이처는 이달 26일 이탈리아 소재 그란 사소 연구소의 중성미자 검출기인 ‘보렉시노(Borexino)’ 검출기를 표지 사진에 실었다. 보렉시노 검출기는 원소인 탄소와 질소, 산소의 촉매 작용으로 핵융합 반응이 일어나는 이른바 태양의 ‘CNO순환’ 핵융합 반응에서 발생하는 중성미자를 처음으로 발견하는 데 성공했다. 

 

중성미자의 발견은 태양의 핵이 어떻게 구성됐는지를 분석하는 데 단서를 줄 수 있다. 또 무거운 별의 형성과 관련된 중요한 사실을 제공할 수 있다. 

 

태양과 같은 별은 수소가 헬륨으로 바뀌는 핵융합 반응을 통해 뜨거운 열에너지를 만들어낸다. 핵융합 반응은 수소 원자끼리 융합해 헬륨으로 바뀔 때 양성자와 양성자가 연쇄 반응을 일으키는 이른바 ‘PP 연쇄반응’과 탄소와 질소, 산소가 촉매 역할을 하면서 헬륨으로 융합되는 ‘CNO 순환’ 핵융합 반응이 있다. 

 

태양과 크기가 비슷한 항성이 만들어내는 에너지의 대부분인 99%는 PP연쇄반응으로 만들어진다는 사실은 기존 연구를 통해 충분히 알려져 있다. 그러나 CNO 순환 핵융합의 경우 이를 통해 만들어지는 중성미자는 하루에 도달하는 배경신호가 몇 차례에 불과하기 때문에 관측하기가 매우 어렵다. 

 

이번 연구를 주도한 지오아치노 라누치 이탈리아 그란사소연구원 보렉시노 협력연구단 박사는 “보렉시노 협력연구단은 태양 내 CNO 순환 핵융합으로 방출되는 중성미자를 통계적으로 유의미한 수준에서 감지하는 데 성공했다”며 “이번 연구결과는 CNO 순환 핵융합에 대한 최초의 직접 실험 증거가 될 것으로 보이며 CNO 순환 핵융합이 태양에서 생성되는 에너지의 약 1%를 기여하고 있다는 사실을 기존에 예측한대로 입증한 것”이라고 밝혔다. 

 

연구진은 CNO 순환 핵융합으로 생성된 중성미자 관측으로 태양의 탄소와 질소, 산소의 양을 측정할 수 있다고 제안했다. 또 CNO 순환 핵융합이 우리 태양계의 태양보다 더 거대한 항성에서는 에너지 생산에 더 큰 비중을 차지할 것으로 여겨진다. 헬륨보다 무거운 금속성 원소 함량에 따라 별의 에너지 생산이 달라질 수 있어 태양 외 다른 항성의 에너지 메커니즘을 이해하는 데 이번 연구는 도움이 될 것으로 기대되고 있다. 
 

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