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노벨상인물

레이몬드 데이비스 Raymond Davis Jr

레이몬드 데이비스 [이미지]
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BNL (브룩헤이븐 국립 연구소)
  • 작성 2015-12-17
  • 조회 3,457
  • 출생1914-10-14
  • 국적 미국
  • 분야천체 물리학
  • 소속브룩헤이븐 연구소
  • 출신대학예일대학교 대학원 물리화학 박사
  • 주요업적중성미자의 존재 입증, 우주 엑스선원의 발견
  • 수상노벨 물리학상(2002)
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인물정보

미국의 천체물리학자. 중성미자의 존재를 입증한 인물로, 고시바 마사토시, 지아코니와 함께 우주에서 날아온 중성미자와 X선을 처음으로 관측해 우주를 이해하는 새 관점을 연 공로로 노벨물리학상을 받았다.

선구적인 연구를 통해 중성미자의 존재를 입증함으로써 ‘중성미 물리학’이라는 연구분야를 개척했다. 2002년 일본의 천체물리학자 고시바 마사토시, 이탈리아 태생의 미국 천체 물리학자 리카르도 지아코니와 함께 노벨 물리학상을 공동 수상했다.

매릴랜드 대학교에서 학사와 석사(1940) 하구이를 받고 예일 대학교에서 화학 박사학위(1942)를 받았다. 이후 1942년에서 1946까지 육군에서 군복무를 마치고 굴지의 화학업체인 몬산토사에서 1946~1948까지 화학연구원으로 잠시 일하다가 1948년 뉴욕 롱 아일랜드에 있는 브룩 헤이븐 국립연구소(Nrookhaven National Laboratory/BNL)로 옮겨 1984년 정년퇴임 할 때까지 이곳에서 연구생활을 계속 했다. 1985년 부터는 펜실베니아대학교 천문학 연구교수로 활동했다.

데이비스는 일찍이 1950년대에 BNL의 연구용 흑연 원자로, 사우스캐롤라이나 주의 서배너 강에 있는 한 원자로에서 중성미자 연구를 시작했다. 그러나 이는 1970년대 초 그가 사우스다코타 주 리드 시 근교의 홈스테이크 금광에서 이룬 개가의 전주곡에 지나지 않아 홈스테이크 금광에 설치한 드라이클리닝 용매로 널리 쓰이던 테트라클로로에틸렌 615t을 담은 길이 14.6m, 지름 6.1m의 탱크를 통해 미국의 물리학자 레온 레더먼이 ‘겨우 존재하는 입자’로 부른 ‘신비의 미립자’중성미자의 존재를 사상 처음으로 검출했다. 어려운 실험을 통해 그는 1994년 까지 30여 년 간 약 2,000개의 아르곤 원자를 추출해냄으로써 같은 주의 태양 중성미자를 관측했다. 태양 중성미자의 존재를 입증한 그의 오랜 실험 연구는 고시바가 이끄는 가미오칸데의 연구자들에 의해 뒷받침되었다. 데이비스의 발견은 핵융합이 태양 에너지원임을 실험적으로 입증함으로써 태양 에너지원을 둘러싼 2세기에 걸친 오랜 논란에 종지부를 찍는 것을 의미했다. 이는 그의 필생의 업적이었다. 그런데 그가 관찰한 전자 중성미자는 그가 계산한 이론적 예상치(하루 2개)의 1/4에 불과한 이틀에 1개였다. 나머지 3/4는 어디론가 실종되었다. 이른바 ‘태양 중성미자의 수수께끼’가 이것인데, 그는 제어실험을 통해 클로린 탱크 속에 아르곤 원자가 하나도 남아 있지 않음을 입증함으로써, 중성미자의 일부가 지구에 도달하는 과정에서 사라질 가능성을 보여 주었다.

노벨 물리학상을 받기 전까지 뉴욕 과학 아카데미 보리스 프레겔상(1957), 미국 과학 아카데미 콤스톡상(1978), 미국화학회 핵화학상(1979).미국 물리학회 톰 W. 보너상(1998), W.K.H. 파노프스키상(1992), 미국천문학회 헤일상(1996), 러시아 과학 아카데미 브루노 폰데코르보상(1999),울프상(2000) 등을 수상했다.

데이비스는 전쟁 시기 대부분을 유타의 생화학 병기소 실험소(Dugway Proving Ground)에서 보냈다. 그는 화학무기의 실험을 관찰하거나 그레이트 솔트 레이크 유역에서 그 원래 형태인 보너빌 호수의 증거를 찾곤 했다. 1946년에 군대에서 해고당한 후, 데이비스는 미국 오하이오 주의 마이애미스버그 몬산토의 마운드 연구소에서 미국 원자력 위원회에 힘입어 방사 화학의 적용 연구를 했다. 이는 원자력의 평화적 이용에 기여했다. 그는 천체 물리학에 대한 공로를 인정받아 2002년 노벨 물리학상을 일본인 물리학자 고시바 마사토시와 미국인 물리학자 리카르도 지아코니와 공동 수상했다. 그의 공로는 천체물리학에 개척에 관한 공헌, 특히 우주 중성미자의 탐지에 관한 공헌이다. 그는 수상했을 당시 88세의 나이였다.

데이비스는 그의 아내인 안나 토리(Anna Torrey)를 브룩헤이븐에서 만나 21피트짜리 나무 보트 “할시온”을 만들었다. 그는 뉴욕 블루 포인트에서 50년 째 같은 집에서 살며 다섯 명의 자식을 낳았다. 그는 뉴욕 블루 포인트에서 알츠하이머병으로 사망하였다.

<공동수상>

고시바 마사토시(小柴昌俊, 1926~)
일본의 천체물리학자. 도쿄 대학교에서 물리학을 공부하였으며, 미국으로 건너가 1955년에 로체스터 대학교에서 물리학 박사학위를 취득하였다. 1960년에 도쿄 대학교의 교수가 되었으며, 1987년에 명예교수가 되었다. 도교 대학교 소립자물리 국제연구센터의 소장으로도 활동하였다. 중성미자 천문학을 창시함으로써 우주를 보는 관점을 변화시켰다.

리카르도 지아코니(Riccardo Giacconi, 1931~)
이탈리아 태생 미국의 천체물리학자. 1954년에 밀라노 대학교에서 물리학으로 박사학위를 취득한 후, 1956년까지 조교수로 재직하였다. 이후 미국으로 건너가 인디애나 대학교와 프린스턴 대학교에서 박사후과정을 이수하였으며, 1973년에 하버드 대학교의 교수가 되었다. 1981년부터 1999년까지 존스홉킨스 대학교의 교수로 재직하였으며, 1999년부터 연구교수로 활동하며 연구에 전념하고 있다. 엑스선 기술을 발전시켜 엑스선 망원경을 제작함으로써 우주에 대한 혁신적인 연구를 수행하였다.

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시상연설

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.

우리 지구 생명의 근원인 햇빛은 태양이 수축하면서 만들어진 것일까요? 이 질문은 19세기 중반 과학계에 가장 중요한 질문이었습니다. 그러나 1920년이 되어서야 태양의 중심에서 일어나는 핵융합반응, 즉 매우 큰 압력으로 수소가 헬륨으로 변환되면서 많은 양의 에너지가 태양 에너지로 방출된다는 모델이 제안되었습니다.

우주에서 가장 흔히 발견되는 입자인 중성미자는 이러한 핵융합반응 과정에서 매우 많은 양이 발생합니다. 이 경이로운 입자들은 무거운 태양의 질량을 뚫고 나와 우리가 있는 지구까지 거뜬히 도달하는데, 무려 지구표면 1제곱센티미터당 매초 600억 개씩 쏟아져 들어오고 있습니다. 레이먼드 교수는 바로 이 태양 중성미자를 잡기 위한 도전에 나섰습니다. 그보다 조금 늦게 고시바 교수도 이 도전에 합류하였습니다. 그러나 중성미자는 다른 물질과의 반응이 대단히 미약해서 관측하기가 대단히 어렵습니다. 중성미자가 관측될 확률은 지구를 통과하는 중성미자 1조 개 중 단 1개에 불과합니다.

레이먼드 데이비스 교수는 교묘한 관측 방법을 고안하여 사우스 다코다 주의 금광 깊은 곳에서 중성미자를 잡아낼 수 있었습니다. 염소가 다량으로 함유된 액체로 가득 찬 거대한 탱크 속에서 단지 몇 개의 중성미자만이 클로린(염소)과 반응하면서 아르곤을 만듭니다. 1년에 10번 정도 탱크를 비워 아르곤 원자를 헤아리는 방법으로 그는 4반세기 동안 2,000개의 중성미자를 잡아낼 수 있었습니다. 금보다 훨씬 비싼 셈입니다.

고시바 교수 역시 도쿄 서쪽의 카미오카 광산 깊은 곳에서 중성미자를 잡아냈습니다. 그는 자신이 개발한 매우 민감한 측정기를 이용하여 거대한 물탱크 속에서 매우 드물게 중성미자와 물이 반응하면서 발생시키는 빛을 관측했습니다.

태양은 50억 년 후에 백색왜성으로 변하면서 일생을 마칠 것입니다. 그러나 더 무거운 별은 초신성 폭발과 함께 일생을 마칩니다. 핵융합반응이 끝나면 중력으로 별들이 급격히 수축되고, 이에 따라 중성자 별과 블랙홀이 형성됩니다. 그리고 불과 몇 초 만에 100억 년의 수명 동안 태양이 방출했던 총에너지의 100배에 달하는 엄청난 에너지를 방출하는 폭발이 일어납니다. 전체 우주에서 초신성은 흔하지만, 우리 주위에는 매우 드뭅니다. 1987년 2월 23일, 태양까지 거리의 10억 배에 해당되는 17만 광년 떨어진 옆 은하에서 초신성의 폭발이 있었습니다. 그때 불과 수 초 만에 중력에너지가 중성미자로 변환되어 엄청난 양의 중성미자가 지구로 쏟아졌습니다. 그중 1경 개의 중성미자가 고시바의 물탱크에 도달하였으며, 무려 12개가 한꺼번에 포착되었습니다. 초신성 폭발의 이론이 확인된 것입니다.

빌헬름 콘라트 뢴트겐은 엑스선의 발견으로 1901년 첫 번째 노벨 물리학상을 수상하였습니다. 중성미자와 달리 우주엑스선은 지구 대기조차 통과하지 못하지만, 1940년대 말 과학자들은 최초로 태양 표면에서 방출되는 엑스선을 발견했습니다. 리카르도 지아코니 교수는 태양에서 방출된 엑스선이 달에 반사되는 것을 관측할 목적으로 1962년에 6분간 로켓 실험을 실시했습니다. 이 실험에서 그는 대량의 우주엑스선을 발견하였으며, 최초로 태양계의 바깥에서 발생하는 엑스선을 확인했습니다. 지아코니 교수는 계속 엑스선 기술을 발전시켜 엑스선 망원경을 만들었으며 우주엑스선 실험이 잇따라 수행되었습니다.

엑스선 천문학 분야에서 지아코니 교수의 업적은 우주에 관한 우리의 관점을 극적으로 변화시켰습니다. 우주는 천천히 발전해 가는 별과 성운으로만 이루어진 것이 아니라 매우 빠르게 변화하며 어마어마한 양의 에너지를 방출하는 작은 물체들도 포함하고 있음을 보여 준 것입니다. 우주엑스선을 이용하면 블랙홀을 간접적으로 관측할 수 있기 때문에 더욱 특별한 관심을 끌고 있습니다.

데이비스 교수님, 고시바 교수님, 그리고 지아코니 교수님.
여러분의 혁신적인 연구는 우주에 이해의 새로운 장을 열었습니다. 여러분은 잡음을 피해 땅 속 깊은 곳에서, 그리고 대기의 방해를 받지 않기 위해 로켓이나 우주선을 이용한 높은 곳에서 실험을 해왔지만 이제는 모두 지표면 위에 모여 있습니다.

스웨덴 왕립과학원을 대표하여 여러분의 뛰어난 연구 업적에 축하를 드립니다. 이제 나오셔서 전하로부터 노벨 물리학상을 수상하시기 바랍니다.

- 스웨덴 왕립과학원 페르 칼손

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자료출처
[네이버 지식백과] 중성미자의 존재 입증 우주 엑스선원의 발견 (당신에게 노벨상을 수여합니다. | 노벨 물리학상, 2010. 1. 18., 바다출판사)

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