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1988년 중성미자(中性微子)와 관련된 발견으로 레온 M. 레더만, 멜빈 슈워츠와 함께 노벨 물리학상을 받았다.

1934년 미국으로 이민을 가 시카고대학교에서 물리학을 공부했고 1948년 그곳에서 박사학위를 받았다. 1950~71년 뉴욕 시 컬럼비아대학교에서 물리학교수로 재직했으며, 1968년부터 스위스 제네바에 있는 유럽 원자핵공동연구소(CERN)의 물리학 연구원으로 있었다.

1960년대초에 컬럼비아대학교 동료인 레더만, 슈바르츠와 함께 뉴욕 브룩헤이번 국립연구소에서 가속기를 사용해 입자 물리학에서 이정표가 될 만한 실험을 고안했다. 이 3명의 연구자들은 최초로 실험실에서 중성미자, 즉 전하와 질량을 가지지 않는 원자구성입자의 흐름을 얻었다.

그 과정에서 그들은 ''뮤온 중성미자''라는 새로운 유형의 중성미자를 발견했다. 3명의 연구자들이 만들어낸 고에너지 중성미자 빔은 원자구성입자들과 핵력을 연구하는 데 기본적인 도구가 되었다. 특히 그러한 빔을 사용하여 자연의 4가지 기본적인 힘들 중의 하나인 약한 핵력 또는 약한 상호작용과 관련된 방사성 붕괴의 연구가 가능하게 되었다. 또한 뢴트겐 선 혹은 엑스선이라는 방사 에너지를 발견하여 현대 물리학 뿐만 아니라 의학 발전에도 기여하였다.

노벨상 시상 연설

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.
스웨덴 왕립과학원은 리온 레더만 박사와 멜빈 슈워츠 박사, 그리고 잭 슈타인버거 박사께 올해의 노벨 물리학상을 수여하기로 결정하였습니다. 수상의 업적은 ''중성미자 빔 방법과 뮤온 중성미자의 발견을 통한 경입자의 이중구조 규명''입니다.

중성미자는 1940년대에 출간된 조지 가모프의 재미있는 책 『톰킨스씨, 원자를 탐험하다』에 잘 그려져 있습니다. 이 책에는 톰킨스 씨가 한 목공예가의 작업실에 들른 얘기와 작업실 궤짝에 들어 있는 원소의 구성 요소들인 양성자, 중성자, 그리고 전자들에 대한 얘기가 실려 있습니다. 그의 작업실에는 이상한 물건들이 많이 있었는데, 톰킨스 씨는 그중에는 잘 닫혀 있지만 속이 비어 있는 것 같은 궤짝을 발견합니다. 그 궤짝에는 ''중성미자, 도망가지 않게 조심하시오''라는 주의 표지가 붙어 있었습니다. 그러나 공예가는 그속에 무엇이 들어있는지 조차도 모르는 듯합니다. 그 궤짝을 선물한 사람은 아마도 1945년 노벨 물리학상 수상자인 볼프강 파울리였을 것입니다. 그는 1930년대 초반에 중성미자의 존재를 예측했습니다.

중성미자는 그 이름에서도 알 수 있듯이 전기적으로 중성이며 질량이 전혀 없는 입자입니다. 그것들은 보이지도 않으며, 원자들과 아주 미약한 반응만을 합니다. 빛의 속도나 그에 버금가는 속도로 달리는 중성미자의 빔을 완전히 차단하는 것은 불가능합니다. 그러기 위해서는 여기서 태양까지 거리의 두께를 가진 강철 블록 수십만 개를 차곡차곡 쌓아야만 합니다.

태양의 뜨거운 중심은 중성미자를 대량으로 만들어 내는 중성미자의 공급처 중 하나입니다. 중성미자는 아주 쉽게 태양을 뚫고 나와 1초에 지표면 1제곱센티미터당 수십억 개씩 지구표면에 도달합니다. 그러고는 어떤 흔적도 남기지 않고 지구를 통과해 지나갑니다. 말하자면 중성미자는 아주 게으르다고 할 수 있습니다. 하는 일이 거의 없이 에너지만 가져가니까요.

올해 수상자들이 거둔 성과의 위대한 점은 바로 이 게으른 중성미자로 하여금 일을 하게 만들었다는 점입니다. 레더만, 슈워츠, 그리고 슈타인버거 교수는 소립자와 관련한 중요한 발견들로 유명한 분들입니다. 중성미자 실험은 이들이 뉴욕의 컬럼비아 대학에 재직하고 있을 때 수행한 것으로, 공동 연구자들과 함께 브룩헤븐 국립연구소의 대형 양성자가속기를 이용하여 세계 최초로 중성미자 빔을 설계해 완성했습니다. 그들의 중성미자는 빠르게 날아가는 중간자들이 붕괴되면서 만들어지기 때문에 통상의 것들보다 훨씬 큰 에너지를 가지고 있었습니다. 높은 에너지의 중성미자는 물질과 반응을 훨씬 더 잘 할 수 있어서 중성미자와 원자의 충돌에 대한 기대가 고조되었습니다. 중성미자의 충돌은 아주 드물게 일어나는 현상이지만, 높은 에너지에서 일어나는 충돌은 멋진 장관을 연출하면서 아주 많은 정보를 가져다 줄 것으로 기대되었습니다.

이 선구적인 실험에서 수상자들은 총 1014개, 즉 10억의 10만 배에 달하는 숫자의 중성미자를 다루었습니다. 이 중에서 단지 수십 개의 충돌을 감지하기 위해서 연구팀은 무려 10톤의 무게를 가진 거대하고 정교한 검출기를 설치했습니다. 또한 중성미자 외의 원치 않는 입자들이 검출기로 들어가는 것을 막기 위해서 13미터 두께의 강철 벽을 세워야 했습니다. 시간과 돈을 절약하기 위해 강철 벽은 폐전투함에서 잘라다 썼습니다. 우주선에서 뮤온 형태로 들어오는 입자도 막아야 했습니다. 이 뮤온의 작용을 중성미자의 것과 혼동하지 않도록 여러 수단이 동원되었습니다. 이 최초의 중성미자 빔 실험은 매우 과감한 시도였지만 결국 성공적으로 완결되었습니다. 그 이래로 이 방법은 약력과 물질의 쿼크 구조를 연구하는 도구로 사용되고 있으며, 중성미자를 연구하는 데에도 사용되고 있습니다.

수상자들이 이 실험을 할 당시에는 이론적으로 예측된 뮤온의 또 다른 분열이 실험적으로 관찰되지 않아서 물리학자들을 적잖게 곤혹스럽게 만들었습니다. 이 분열이 일어나지 않는다는 법칙은 어디에도 없었습니다. 물리학에서는 특정 현상이 일어나지 않는다는 명백한 법칙이 없는 한 그 현상은 일어나야 한다는 것이 일반적입니다. 이 미스터리는 수상자들의 연구팀이 이론적으로 제안했던 완전히 다른 두 종류의 중성미자를 발견함으로써 해결되었습니다. 이미 알려져 있던 중성미자는 서로 짝을 이루면서 전자로 전환되지만 새로 발견된 중성미자는 뮤온과 짝을 이루었습니다. 이 두 종류의 짝은 완전히 다른 경입자군을 형성하는 것이 밝혀졌습니다. 이로써 자연의 새로운 법칙이 발견된 것입니다.

천문학자와 물리학자들은 공통적으로 다른 경입자군이 얼마나 많이 존재하는지, 즉 얼마나 많은 중성미자가 자연에 존재하는지 알고 싶어 합니다. 우리의 우주 생성에 대한 현재의 생각으로는 중성미자의 종류가 4개 미만으로 생각됩니다. 그 3분의 1은 이미 교과서에 나와 있습니다. 내년 여름에 가동을 시작할 CERN의 대형 LEP 가속링 실험의 목적은 중성미자의 종류에 대한 명확한 해답을 얻기 위한 것으로, 결국 우주에 존재하는 경입자군의 개수를 정확히 알고자 하는 것입니다.

레더만 교수님, 슈워츠 교수님, 그리고 슈타인버거 교수님.
여러분은 과감히 새로운 연구 분야를 개척하였으며, 곧 바로 두 번째 중성미자의 존재를 밝힘으로써 풍성한 결실을 거두었습니다. 더구나 실험 당시에는 드러나지도 않았던 문제들이 여러분의 방법을 이용한 후속 연구에서 속속 설명되고 있습니다. 여러분이 발견한 짝을 이룬 경입자들은 당시의 예상보다 훨씬 더 광범위하게 응용될 수 있었으며, 이제는 쿼크와 경입자의 표준 모델에서 없어서는 안 될 개념이 되었습니다.

스웨덴 왕립과학원을 대표해서 깊은 축하의 말씀을 전하게 되어 개인적으로 무한한 영광입니다.

이제 전하께서 1988년 노벨 물리학상을 시상하시겠습니다.

스웨덴 왕립과학원 괴스타 엑스퐁