카미오칸데

1. 개요[편집]

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KAMIOKANDE / カミオカンデ[1]

이름(KamiokaNDE)은 카미오카 핵자(Nucleon)붕괴(Decay) 실험(Experiment)의 준말이다.

카미오칸데는 중성미자를 관측하기 위해 도쿄대학 우주선연구소가 일본 기후현 카미오카 광산[2] 지하 700m에 설치한 물리학과 천문학 관측 장치다. 현재까지 노벨물리학상만 2개[3]를 배출한 거대연구시설.

그 후 슈퍼 카미오칸데가 건설되었고 현재에는 이어서 하이퍼 카미오칸데를 건설 중이다. 현재는 미국의 아이스큐브나 러시아의 바이칼-GVD 처럼 하이퍼 카미오칸데보다 규모가 훨씬 큰 중성미자 관측 장비가 등장했으나 여전히 중요한 중성미자 관측 장비로 사용중이다.

카미오칸데를 이용하여 이루어지는 연구들은 물리학적으로 매우 중요한 것들이다. 예컨대 카미오칸데를 통해 중성미자를 검출하고 CP 대칭성 찢어짐 현상을 관측한 고시바 마사토시, 고바야시 마코토, 마스카와 도시히데, 난부 요이치로 4인의 일본인 과학자들이 노벨물리학상을 수상한 바 있는만큼, 이 시설을 통해서 얻을 수 있는 연구들은 현대물리학의 최전선에 있는 연구 분야 중 하나로 여겨진다. 더 나아가서는 카미오칸데를 통해서 중성미자 질량 순서 결정 문제와 양자 붕괴 현상 등의 대통일 이론과 관련된 연구에 접근해볼 수 있을 것으로도 기대되고 있다. 이러한 연구들은 모두 우리가 어떻게 이 우주에서 존재할 수 있는지에 관한 근본적인 이야기에 대해 그 해답의 실마리를 알려줄 가능성이 있는 연구들이다.

2. 카미오칸데[편집]

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도쿄대학 우주선연구소가 1982년에 짓기 시작해 1983년 4월에 완공했다. 당초 물질의 안정성을 실험하는 게 목적이었다. 원자핵속의 핵자 중 하나인 양성자가 붕괴하는지 확인하려고, 순수한 물 3,000톤을 담은 탱크를 설치했다. 물탱크 크기는 높이 16미터, 지름 15.6미터였다.

검출기는 1985년에 업그레이드됐으며 중성미자 검출기로 전환됐다. 약 5000톤의 순수한 물을 담은 특수 물탱크에 1000여 개의 광전자증폭관(Photo Multiplier Tube) 등을 포함하고 있다. 물속에 들어온 중성미자가 물 분자 안의 수소 원자핵과 충돌하여 발생하는 체렌코프 방사 빛을 검출하는 방식이다.

그리고 1987년 2월 대마젤란은하에서 발생한 초신성 1987A가 내뿜은 중성미자를 검출하는 데 성공했다. 1988년에는 태양 중성미자를 관측하였다.

카미오칸데 실험을 진두지휘했던 일본의 고시바 마사토시는 미국의 천체물리학자 레이먼드 데이비스 2세(Raymond Davis Jr.), 이탈리아의 지아코니(Riccardo Giacconi)와 공동으로 2002년도 노벨물리학상을 수상하였다.

카미오칸데 실험은 1996년 슈퍼 카미오칸데 실험이 시작되면서 끝났다.

3. 슈퍼 카미오칸데[편집]

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기존 카미오칸데보다 훨씬 크고 물의 양도 10배인 5만 톤으로 늘린 높이 41.4m, 너비 39.3m의 증류수 탱크이다.

고시바 교수 등은 슈퍼 카미오칸데를 건설하여 중성미자 검출 실험을 계속하였고, 그의 제자였던 가지타 다카아키(梶田隆章) 등은 중성미자 진동 발견으로 2015년도 노벨물리학상을 수상하였다.

슈퍼 카미오칸데를 이용한 국제 공동연구팀은 가속기를 통해서 인위적으로 만들어진 중성미자 빔을 멀리 떨어진 곳에서 검출기로 관찰하는 실험 결과, 최초의 중성미자가 다른 종류의 중성미자로 변환되는 진동 현상을 관측함으로써 중성미자에 질량이 있음을 입증한 것이다.

4. 하이퍼 카미오칸데[편집]

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이후 슈퍼 카미오칸데보다 큰 3번째 거대실험시설인 하이퍼 카미오칸데를 2027년 완료 목표로 건설중이며 건설 예산은 약 650억엔이다.

하이퍼 카미오칸데의 규모는 높이 71m, 지름 68m의 증류수 탱크로 광전자증폭관(Photo Multiplier Tube)은 최초의 카미오간데보다 40배 증가한 4만개가 장착된다. 탱크의 유효 부피는 슈퍼 카미오간데의 10배라서 슈퍼 카미오간데에서 100년간 얻을 수 있는 데이터를 하이퍼 카미오간데에선 10년만에 얻을 수 있다.