지식줌) 왜 일본은 굳이 산속에 8000억이 넘는 거대 물탱크를 만들까?

 

일본이 8천억 원이 넘는 예산을 들여 산속에 거대한 물탱크를 건설하는 이유와 관련된 내용을 다룹니다.

• 하이퍼 카미오칸데 프로젝트 개요: 일본 기후현에 건설 중인 높이 73m, 직경 69m의 거대한 물탱크 건설 프로젝트에 대해 소개합니다 [00:00]. 2027년 완공을 목표로 하고 있으며, 이 시설은 중성미자 연구를 위해 건설되고 있습니다.
• 중성미자 연구의 중요성: 중성미자는 질량이 매우 작고 모든 것을 통과하는 특성 때문에 '유령 입자'라고 불리며, 이 입자를 측정하고 연구하기 위해 거대 물탱크가 필요합니다 [00:27].
• 산속에 건설하는 이유: 산을 이용하여 다른 물질의 간섭을 최소화하고 중성미자만을 측정하기 위한 환경을 조성하기 위함입니다 [01:01].
• 측정 원리: 중성미자가 물과 충돌할 때 발생하는 빛을 감지하여 측정하며, 이를 위해 고진공 상태의 순수한 물과 고감도 센서가 사용됩니다 [01:37].
• 건설 과정: 1999년부터 논의, 2021년부터 본격적인 건설이 시작되었으며, 2027년 실험 데이터 확보를 목표로 하고 있습니다 [02:12].
• 제이-파크 시설: 도쿄 북동쪽 이바라키현 토카이 마을에 위치한 중성미자 가속기 시설로, 하이퍼 카미오칸데 프로젝트와 연계하여 고품질의 중성미자 빔을 생성합니다 [03:18].
• 카미오칸데의 역사: 최초의 카미오칸데부터 슈퍼 카미오칸데를 거쳐 하이퍼 카미오칸데까지의 발전 과정을 설명하며, 이전 시설들이 노벨 물리학상 수상에 기여했음을 강조합니다 [04:04].
• 기대 효과: 중성미자 연구를 통해 우주 물질의 기원 규명, 천문학적 발견, 그리고 미래 기술 발전에 기여할 가능성을 제시합니다 [05:12].
• 기초 과학의 중요성: 기초 과학 연구가 당장 우리 삶에 변화를 가져오지는 않지만, 장기적으로는 의료 기술 발전 등 인류의 삶에 큰 영향을 줄 수 있음을 설명합니다 [05:48].

 

이곳은 일본 혼슈 중앙에 있는 기후현입니다.

도쿄 대학교가 중심이 되어 6억 달러, 한화로 8천억 이상의 예산으로

높이 73m, 직경 69m이며

무려 26만 톤의 물을 넣을 수 있는 물탱크를

산 내부에 건설하고 있는데요.

2027년 완공을 목표로 하기에 얼마 남지 않은 상황입니다.

 

그렇다면 대체 왜 일본은

이러한 엄청난 물탱크를 그것도 산 내부에 대체 왜 건설할까요?

이를 이해하기 위해선 약간의 물리학적 배경 지식이 필요합니다.

 

물리학에서 ‘중성미자’는 다른 입자를 구성하는

매우 작은 기본 입자 중 하나인 아주 작은 물질로

과거 실험을 통해 질량이 있다고는 밝혀졌지만

그 질량이 너무 작아

직접적인 질량의 크기도 측정하지 못한

기본 물질이라 볼 수 있고

때문에 이를 ‘유령 입자’라고 부르기도 하죠.

 

거의 빛의 속도로 이동하고 모든 것을 통과하는

일반적 방법으론 감지가 불가능한 입자이다 보니

여전히 많은 연구가 필요한 분야이기도 합니다.

 

그리고 이 물질을 측정하고 추가 조사와 발견을 위해

일본은 이 거대 물탱크를 만드는 것입니다.

 

그럼 “왜 하필산 가운데 건설하느냐?”라는 궁금증이 드실 텐데

중성미자는 모든 것을 통과한다 말씀드렸죠.

중성미자는 지금 영상을 보고 계신 여러분들의 몸을 관통하는 중이기도 한데

대기를 통과하는 유일한 입자가 중성미자만은 아닙니다.

때문에 일반적인 상황에서 측정이나 실험을 하면

중성미자 이외의 물질에 의한 간섭을 받을 수 있게 되는 것이죠.

 

허나 산을 이용한다면 얘기가 달라지는데

엄청난 규모인 산을 통과할 수 있는 물질은

중성미자 정도밖에 되지 않기 때문에

산을 이용하면 다른 물질들의 간섭을 최소화할 수 있는 것입니다.

 

그렇다면 대체 어떻게 산속의 물탱크가

중성미자를 측정할 수 있는지 궁금하실 텐데

중성미자는 기본적으로 모든 물질을 통과하나

매우 낮은 확률로 물질들 간 상호작용을 하기도 합니다.

 

중성미자는 산을 통과하여

이 고진공 상태의 순수한 물이 가득한

엄청난 크기의 물탱크에 도달하게 되고

이곳에서 물질들 간 충돌이 일어나면

빛이 발생하게 되고

이 빛을 물탱크 벽면에 있는 수많은 포토 센서로 관찰하는 것이죠.

 

마치 거대한 전구처럼 생긴 벽면의 감지기는 매우 민감하여

달 표면에 촛불까지 발견할 수 있는 정도라고 하는데요.

중성미자 충돌로 발생한 빛이

수십 수백 수천 개의 센서에 닿게 되는 것입니다.

 

그리고 이런 실험을 하기 위해선

당연히 조용하고 간섭이 적은 곳이 좋겠죠.

그곳이 바로 ‘히다시’이며 산이 매우 많은 지역입니다.

 

이 산 정상에서 아래로 600m 정도 내려간 지역에

이 물탱크를 건설하는 것인데요.

이 프로젝트는 무려 20년도 더 이전인 1999년부터 이 아이디어가 논의되었고

2000년에 이 프로젝트의 이름을 ‘하이퍼 카미오칸데’로 정했습니다.

그리고 2021년 5월부터 탐지기 접근 터널 굴착을 시작했고

2022년엔 접근 터널 공사가 완료되었으며

23년 10월엔 꼭대기에서 약 600m 아래쪽에 사진으로 보시는 것처럼

지름 69m, 높이 21m에 ‘탐지기 주동굴 돔’ 구간까지 완공되었습니다.

 

2024년엔 그 아래쪽에 들어갈 거대한 원통형 수조 구간, 굴착 공사를 진행하고

내년엔 수조 방수 처리 등 라이너 공사가 진행될 예정입니다.

그리고 26년엔 내부에 광 검출기 등 여러 장치를 설치하게 되고

이후엔 물을 채워야 하는데, 상당한 시간이 걸리지 않을까 싶네요.

 

마지막으로 추가적 처리를 거쳐

물의 순도를 높여 순수한 상태로 만들고

중성미자를 측정할 수 있는 완벽한 상태의 시설을 만든 후

2027년부터 실험 데이터를 얻을 계획으로 작업은 진행되고 있습니다.

 

그리고 이곳에서 약 300km 정도나 떨어진 곳에

이 실험을 위한 또 다른 시설이 있는데요.

그것은 바로 도쿄 북동쪽

이바라키현 토카이 마을에 설치된 ‘J-PARK’라는 시설입니다.

 

이곳엔 중성미자 가속기가 있는데

이를 활용하여

고강도 고품질의 중성미자와 반중성미자 빔을

하이퍼 카미오칸데를 향해 쏘는데요.

이를 통해 훨씬 많은 중성/반중성미자가 관찰될 수 있도록 하는 것이죠.

 

빔으로 쏘아진 물질들이

먼 거리를 지나 산을 통과하여 물 물탱크를 지나는데

이 물탱크 속에서 일어나는 중성미자의 핵붕괴와

상호작용 간 나타나는 매우 약한 빛을

이곳에 설치된 약 4만 개 정도의 직경 50cm의 초고감도 감지기를 통해

99% 이상의 정확도로 측정하는 것입니다.

 

근데 카미오칸데 앞에 ‘하이퍼’란 말이 있잖아요.

울트라, 슈퍼, 하이퍼 이런 단어들은

단계를 표현할 때 접두사처럼 잘 붙여 사용하잖아요.

예상하시는 분도 계실 텐데

이 카미오칸데는 처음이 아닙니다.

무려 세 번째죠.

 

가장 처음 만들어진 카미오칸데는

지금부터 무려 40년 전인 1983년에 만들어졌습니다.

직경 19m, 높이 16m에 4,500톤 물탱크 규모였는데

상대적으로 작아 보일 수 있지만

지금보다 무려 40년도 넘은 시기라는 점을 생각하면

결코 작은 크기가 아니고 상당한 기술력이라 볼 수 있습니다.

 

이 건설이 가능했던 게

1960년대까진 일본 전역에 광산이 있었고

은, 구리, 철, 아연, 석탄 등

여러 가지 광물이 대규모로 채굴되었거든요.

그렇다 보니 이런 기본적인 건설 기술이 있었던 것이죠.

 

이렇게 광산 건설 기술을 활용하여 최초의 카미오칸데가 만들어져

1996년까지 사용되었고

96년부턴 5만 톤 규모의 ‘슈퍼 카미오칸데’가 만들어져

2027년 ‘하이퍼 카미오칸데’가 완성될 때까지 사용될 예정입니다.

 

-초기 카미오칸데에선

세계 최초로 초신성 폭발로 인한

중성미자와 태양 중성미자를 관측했고

-슈퍼 카미오칸데를 활용하여서는

중성미자의 진동을 발견하여

중성미자가 질량을 가지고 있음을 확인했죠.

 

이 때문에 2002년과 2015년에

노벨 물리학상을 받기도 하였습니다.

 

그리고 슈퍼 카미오칸데의 용량보다

5배 이상 커진 이 하이퍼 카미오칸데를 통해

중성미자의 진동과 반중성미자 진동의 차이를 발견하고

대체 중성미자의 질량은 얼마인지 등

더욱 정밀한 측정으로 우주 물질의 기원을 규명하고자 하죠.

 

또 이 시설은 중성미자를 관찰할 수 있는 현미경이기도 하지만

달 표면의 촛불도 감지할 수 있다고 말씀드렸던 것처럼

우주의 빛을 감지할 수 있는 망원경의 역할도 하기에

여러 가지 중성미자와 관련한 천문학적 발견을 해 나갈 것입니다.

 

그렇다면 이런 물질의 발견이 우리 삶과는 어떤 연관이 있는지

과연 도움이 되는지 궁금하실 텐데

대부분의 기초과학이 그렇듯

이 연구가 궁극적으로 우리를 어디로 이끌지 정확히 알 수는 없습니다.

 

태양의 핵융합, 우주의 질량 분포, 우주의 팽창 등을 이해하는데

도움이 될 것이라 하는데

이런 게 사실 지금 당장 우리 삶에 어떠한 변화를 가져올 것이라 보긴 어렵잖아요.

 

허나 달리 생각해 보면

지금 쓰는 전자제품, IT, 반도체, 인터넷 기술 등 고도화된 기술들도

초기 발전은 아주 기초적인 무언가에서부터 시작했고

또 비슷한 결로 보자면

아주 작은 물리 입자들을 이해함을 통해

-방사선 치료 기술을 크게 도약시키고

-새로운 의료 장비를 만들 수 있게 되어

인간의 수명 자체가 대폭 늘어나게 되었잖아요.

 

중성미자 연구도 마찬가지일 것입니다.

-핵에너지 모니터링,

-자원 매장지의 지각 확인

-또 완전히 다른 종류의 통신을 발견하는 것 등을 상상해 볼 수 있을 텐데

중성미자를 더 이해하고 응용을 할 수 있게 된다면

인류는 또 다른 방향으로 나아갈 수 있을지도 모르죠.

 

 

지금까지 일본이 만드는 이 거대한 물탱크에 대해 이해해 보았는데요.

과학 분야에서만 25명의 노벨상 수상자를 배출한 일본의 기초 과학이

괜히 탄탄하다는 말이 나오는 것은 아닌 것 같네요.

 

옆 나라 이야기라 조금 배가 아플 수도 있겠지만

비교하기보다는 현상을 이해하고

또 새로운 발견이 잘 진행될 수 있도록

관심 가져주시면 좋을 것 같습니다.

 

‘기술 패권시대’라는 말이 과언이 아닌 세상인 만큼

미래로 나아가기 위해 과학은 더욱 필수적이지 않나 싶은데

역동적으로 과학기술을 잘 발전시켜 온 한국인 만큼

앞으로도 더욱 잘해 나가길 바라봅니다.

 

영상이 세상을 바라보는 데 도움 되셨길 바랍니다.

시청 고맙습니다.