5
물리학과 첨단기술 DECEMBER 2018 32 저자약력 Carsten Rott 교수는 독일의 Universität Hannover를 졸업하고, 미국의 Purdue University에서 이학박사학위를 취득했다. 이후 미국의 Pennsylvania State University에서 박사후연구원을, 오하이오 주립대에서 선임 연구원을 지낸 후, 2013년부터 성균관대학교 물리학과 교수로 재직하고 있다. 현재 아이스큐브 국제공동연구단 내에서 가장 큰 연구그룹 중 하나인 ‘Beyond the Standard Model(BSM)’ 물리학 연구그룹의 좌장을 맡고 있으며, 제공동연구단의 의사결정 기구인 IceCube Collaboration Board(ICB)국제공동연구단에서 발간하는 출판물을 기획 및 관리하는 출판위원회의 일원 으로도 활동하고 있다.([email protected]) 강우식 학생은 성균관대학교 물리학과를 졸업하고, 현재 동 대학원 물리학과 에서 석박통합과정을 밟고 있다. 학부생이던 2014년부터 Carsten Rott 수의 연구 그룹에 참여하여 그룹에서 진행하는 여러 연구들에 기여하는 중이 . 아이스큐브 중성미자 망원경 DOI: 10.3938/PhiT.27.052 카르스텐 로트 강우식 (a) (b) Fig. 1. (a) IceCube Counting House at the South Pole. Photo: Martin Wolf / NSF. (b) Schematic of the IceCube Observatory lo- cated at the South Pole. REFERENCES [1] M. G. Aartsen et al. (IceCube Collaboration), JINST 12, P03012 (2017). The IceCube Neutrino Telescope Carsten ROTT and Woosik KANG The IceCube Neutrino Telescope, the worlds largest neutrino detector, allows us to observe the Universe in fundamentally new ways. We review the search for astrophysical neutrinos with a particular focus on the discovery of a diffuse high-en- ergy astrophysical neutrino flux and the recently observed as- sociation of a high-energy neutrino with a blazar during a period of enhanced -ray emission. The latter suggest that blazars may, indeed, be one of the long-sought sources of very-high-energy cosmic rays and hence may be responsible for a sizable fraction of the astrophysical neutrino flux ob- served by IceCube. We introduce IceCube’s diverse science program and give an outlook how we plan to upgrade the detector in future. 아이스큐브 중성미자 망원경 아이스큐브 중성미자 망원경은 남극점에 위치한 1 세제곱 킬로미터 규모의 중성미자 검출기로(그림 1(a)), 7년의 건설 기 간을 거쳐 지난 2010년 말에 완공되었다. [1] 남극의 순수한 얼 음을 천연의 검출기 매질로 활용하는 이 다목적 검출기는 남 극 얼음 표면으로부터 깊이 1450 m에서 2450 m 사이에 수 직으로 늘어뜨린 5160개의 ‘Digital Optical Modules(DOMs)’ (그림 2)로 구성되어 있다. DOM들은 스트링이라 불리는 통신 전력 케이블을 따라서 일정 간격을 두고 하나씩 설치되어 있 . 한 스트링에는 모두 60개의 DOM이 설치되어 있으며, 86줄의 스트링이 남극의 얼음 속에 수직으로 배치되어 아이스 큐브 중성미자 망원경의 얼음 속 검출기(in-ice detector)를 구

아이스큐브 중성미자 망원경 - KPSwebzine.kps.or.kr/contents/data/webzine/webzine/...필터를 거쳐서 IceCube-170922A 라고 이름 붙은 중성미자 후 보 사건을

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물리학과 첨단기술 DECEMBER 201832

저자약력

Carsten Rott 교수는 독일의 Universität Hannover를 졸업하고, 미국의

Purdue University에서 이학박사학위를 취득했다. 이후 미국의 Pennsylvania

State University에서 박사후연구원을, 오하이오 주립대에서 선임 연구원을

지낸 후, 2013년부터 성균관대학교 물리학과 교수로 재직하고 있다. 현재

아이스큐브 국제공동연구단 내에서 가장 큰 연구그룹 중 하나인 ‘Beyond

the Standard Model(BSM)’ 물리학 연구그룹의 좌장을 맡고 있으며, 국

제공동연구단의 의사결정 기구인 IceCube Collaboration Board(ICB)와

국제공동연구단에서 발간하는 출판물을 기획 및 관리하는 출판위원회의 일원

으로도 활동하고 있다.([email protected])

강우식 학생은 성균관대학교 물리학과를 졸업하고, 현재 동 대학원 물리학과

에서 석박통합과정을 밟고 있다. 학부생이던 2014년부터 Carsten Rott 교

수의 연구 그룹에 참여하여 그룹에서 진행하는 여러 연구들에 기여하는 중이

다.

아이스큐브 중성미자 망원경

DOI: 10.3938/PhiT.27.052 카르스텐 로트 ․강우식

(a)

(b)

Fig. 1. (a) IceCube Counting House at the South Pole. Photo:

Martin Wolf / NSF. (b) Schematic of the IceCube Observatory lo-

cated at the South Pole.

REFERENCES

[1] M. G. Aartsen et al. (IceCube Collaboration), JINST 12,

P03012 (2017).

The IceCube Neutrino Telescope

Carsten ROTT and Woosik KANG

The IceCube Neutrino Telescope, the worlds largest neutrino

detector, allows us to observe the Universe in fundamentally

new ways. We review the search for astrophysical neutrinos

with a particular focus on the discovery of a diffuse high-en-

ergy astrophysical neutrino flux and the recently observed as-

sociation of a high-energy neutrino with a blazar during a

period of enhanced -ray emission. The latter suggest that

blazars may, indeed, be one of the long-sought sources of

very-high-energy cosmic rays and hence may be responsible

for a sizable fraction of the astrophysical neutrino flux ob-

served by IceCube. We introduce IceCube’s diverse science

program and give an outlook how we plan to upgrade the

detector in future.

아이스큐브 중성미자 망원경

아이스큐브 중성미자 망원경은 남극점에 위치한 1 세제곱

킬로미터 규모의 중성미자 검출기로(그림 1(a)), 7년의 건설 기

간을 거쳐 지난 2010년 말에 완공되었다.[1] 남극의 순수한 얼

음을 천연의 검출기 매질로 활용하는 이 다목적 검출기는 남

극 얼음 표면으로부터 깊이 1450 m에서 2450 m 사이에 수

직으로 늘어뜨린 5160개의 ‘Digital Optical Modules(DOMs)’

(그림 2)로 구성되어 있다. DOM들은 스트링이라 불리는 통신

전력 케이블을 따라서 일정 간격을 두고 하나씩 설치되어 있

다. 한 스트링에는 모두 60개의 DOM이 설치되어 있으며, 총

86줄의 스트링이 남극의 얼음 속에 수직으로 배치되어 아이스

큐브 중성미자 망원경의 얼음 속 검출기(in-ice detector)를 구

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물리학과 첨단기술 DECEMBER 201 8 33

Fig. 2. Digital optical modules (DOMs) are pressure resistant glass

spheres, each containing a Hamamatsu photomultiplier tube (PMT)

of 25 cm diameter and the associated electronics necessary for

waveform digitization. Figure from [Ref. 1].

REFERENCES

[2] M. G. Aartsen et al. (IceCube Collaboration), Science 342, doi:

10.1126/science.1242856 (2013).

[3] M. G. Aartsen et al. (IceCube Collaboration), Phys. Rev. Lett.

113, 101101 (2014).

성한다. 이 스트링의 배치를 위해서 최고 85 ℃로 가열된 물

을 고압으로 분사하는 드릴을 사용하여 지름 60 cm, 깊이

3000 m의 구멍 86개를 육각 격자 형태로 남극 얼음에 뚫었

으며, 하나의 구멍에 스트링 하나씩 배치되었다. 모든 스트링

은 얼음 표면까지 연장되어 지상에 위치한 IceCube Labo-

ratory(ICL)에 연결되어 있으며, 이것을 통해 각 DOM들의 동

작을 조정하고 DOM에서 검출되는 데이터들을 하나로 수집하

게 된다.(그림 1(b)) 아이스큐브는 우주로부터 기원한 중성미자

들(Astrophysical neutrinos)의 상호작용을 관측하기 위해 설

계되고 또 최적화되었지만, 우주선(Cosmic rays)에 의해서 발

생하는 공기 샤워(air showers: 우주선이 지구 대기의 원자핵

과 상호작용하면서 다량의 이온화된 입자들과 전자 그리고 감

마선을 방출하는 현상. 이 2차 우주선 입자들이 광범위한 영

역으로 쏟아져 내려오는(cascade) 모습이 어원이 되었다)로부

터 나온 고 에너지 뮤온(Muon)과 대기 중성미자(Atmospheric

neutrinos)들을 관측할 수 있는 충분한 민감도도 지니고 있다.

아이스큐브는 그 중앙 부분에 DOM들을 더 밀도 있게 배치한

DeepCore라는 검출 영역을 지니고 있는데, 이 영역에서는 10

GeV 정도 상대적으로 낮은 에너지를 지닌 중성미자의 검출이

가능하다. 지표면에 설치된(surface-array) IceTop 탱크들은 1

PeV 이상의 초기 에너지를 지닌 우주선으로부터 발생하는 추

가적인 공기 샤워들을 관측함으로써 얼음 속에 설치된 검출기

를 보조한다.

아이스큐브는 얼음 속에서 중성미자 상호작용을 통해 발생하

는 대전 입자가 만들어 내는 체렌코프 광(Cherenkov radiation)을

관측하는 방식으로 중성미자를 검출해 낸다. 뮤온 중성미자

(Muon neutrino)의 전기띤 흐름(Charge-current) 상호작용은

사건 위상(event topology: 상호작용을 통해 발생하는 사건의

형상. 상호작용하는 중성미자의 맛깔과 에너지에 따라 검출기

에서 확인되는 사건 위상이 달라진다)을 통해 쉽게 확인할 수

있다. 이 상호작용에서는 고 에너지 뮤온이 발생하는데, 이 뮤

온은 검출기 안에서 긴 자취를 만들어 낸다. 전자 중성미자

(Electron neutrino)와 타우 중성미자(Tau neutrino) 사건은

상호작용을 통해 공통적으로 짧은 위상의 cascade을 만들어

내는데, 일반적으로 이 위상들을 통해 전자 중성미자 상호작용

과 타우 중성미자 상호작용을 구별하는 것은 불가능하다. 다만

PeV 수준의 에너지를 지닌 타우(Tau)의 수명이 증가하면서

(boosted lifetime of tau) 두 번의 cascade를 만들어내는 이중

폭발(Double-bang) 사건들은 타우 중성미자 상호작용을 명확

하게 보여줄 것으로 예상되고 있으나, 아직 실제로 관측된 적

은 없다.

아이스큐브는 1년 중 99% 이상의 가동시간을 보여주고 있

으며, 1년 동안 약 1011회의 사건들을 검출해내고 있다. 대부

분의 사건들은 우주선의 공기 샤워에서 발생한 대기 뮤온

(atmospheric muon)이 지표를 뚫고 아래쪽으로 들어온 것

(down-going)이고, 전체 중에서 약 105회의 사건들은 대기 중

성미자 사건들로 확인되고 있다.

우주로부터 기원한

중성미자(Astrophysical Neutrino)의 탐색

아이스큐브는 지난 2013년 우주로부터 기원한 고 에너지 중

성미자(이하 ‘우주 중성미자’)의 첫 관측을 발표하였다. 이것은

천체입자물리학 분야에서의 혁명적인 발견이었으며, 우리에게

있어 우주를 바라보는 새로운 창을 열어주었다.[2,3]

우주 중성미자를 관측하는 것을 어렵게 만드는 가장 큰 요인

들 중 하나는 바로 우주선이 지구 대기와 상호작용하면서 만들

어내는 두 종류의 배경사건들을 아주 잘 걸러내야 한다는 것이

다. 첫 번째 배경사건은 대기에서 지표면 아래 방향으로 진행

하는 우주선에 포함된 뮤온이다. 중성미자보다 106배나 많은

이 뮤온들은 초당 3000번 이상의 검출 신호를 아이스큐브 검

출기에 남긴다.(triggering rate: 3 kHz) 이런 뮤온들이 만들어

내는 배경사건을 걸러내기 위해서 아이스큐브는 두 가지 방법

을 사용한다. 하나는 뮤온이 지구 내부를 통과하지 못하는 성

질을 이용하여 지구 내부에서 지표면 방향으로 올라가는

(up-going) 자취 사건만을 선택하는 것이고, 다른 하나는 검출

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물리학과 첨단기술 DECEMBER 201834

REFERENCES

[4] M. G. Aartsen et al. (IceCube Collaboration), Phys. Rev. Lett.

115, 081102 (2015).

[5] R. Abbasi et al. (IceCube Collaboration), Nature 484, 351

(2012).

Fig. 3. HESE skymap with 7.5 yrs of data. No special clustering is

observed. Figure updated from [Ref. 3].

기에 들어올 때까진 아무런 신호를 내지 않고 있다가 검출기

내부에서 상호작용을 시작하는 자취 사건만을 선택하는 것이

다.

두 번째 배경사건은 우주선 공기 샤워에서 발생하는 대기

중성미자(atmospheric neutrino)이다. 이 대기 중성미자는 공

기 샤워에서 발생하는 입자들 혹은 우주선으로 들어오는 뮤온

들과 함께하는 경우가 많으므로, 이 추가적인 입자들을 통해서

지표면 아래 방향으로 향하는 대기 중성미자를 걸러낼 수 있

다. 또한 우주 중성미자의 스펙트럼은 대기 중성미자의 스펙트

럼에 비해 낮은 에너지 영역으로 갈수록 더욱 급격하게 감소

하는 경향성을 활용하여 데이터에서 배제할 수도 있다. 이 경

우, 100 TeV를 기준으로 이보다 에너지가 더 낮은 영역에서는

대기 중성미자가 우세하고 더 높은 영역에서는 우주에서 기원

한 중성미자가 더 우세하다는 사실을 바탕으로 대기 중성미자

사건을 확인할 수도 있다.

처음으로 우주 중성미자를 성공적으로 확인한 방법은 ‘고 에

너지 시작 사건(High Energy Starting Event, HESE)’ 탐색이

다.[2,3] 이 방법은 우선 검출기 내부에서 시작되는 사건들을 찾

아내어 중성미자 후보들을 선정한다. 이 중 검출기에 적어도

6000개 이상의 광전자(Photoelectron)를 발생시키는 고 에너

지 사건들만이 HESE 사건 검출 기준을 통과할 수 있다. 이

기준을 적용하여 뮤온 배경사건을 효과적으로 제거하고, 검출

기의 유효 부피(fiducial volume) 안에서 상호작용하는 수백

TeV 이상의 에너지를 지닌 대부분의 중성미자 사건들은 추출

할 수 있다. HESE 탐색을 통해 관측된 우주로부터 기원한 고

에너지 중성미자 후보 사건들의 관측 방향을 천구 상에 표시

한 skymap이 그림 3에 나와 있다. 이 결과는 중성미자의 관

측 방향이 특별히 한 곳에 집중된 영역(clustering)은 관측되지

않았음을 보여준다. 첫 번째 기준인 HESE 사건 검출 기준을

통과한 중성미자 사건들 중 지구 내부에서 지표면 방향으로

올라가는 뮤온을 확인하는 추가적인 연구를 통해서 아이스큐브

는 우주 중성미자 다발의 검출을 확인할 수 있었다.[4]

중성미자 근원의 확인

우주 중성미자 다발의 존재를 확신하는 강력한 증거들이 있

음에도 불구하고, 최근까지 이런 중성미자들의 근원을 탐색하

는 연구는 검출된 중성미자 사건들과 알려진 천체들 사이의

그 어떤 연관성도 밝혀내지 못했었다. 이런 중성미자의 근원을

탐색하는 연구는 중성미자 사건들의 공간상에서의 위치를 무리

지은 다음(clustering) 이 사건들이 발생한 시간의 연관성(cor-

relation)을 확인하는 방법과, 검출된 중성미자의 방향과 감마

선 폭발(GRB)과 같은 여러 종류의 천체물리학적 현상의 목록

들 사이에 존재할 연관성을 확인하는 방법을 모두 사용한다.[5]

아이스큐브를 통해 관측된 우주 중성미자에 대응하는 천체물

리학적 현상을 전자기파 영역의 관측을 통해 확인하기 위해서

아이스큐브 국제공동연구단은 다양한 후속관측 프로그램을 운

용하고 있다. 이러한 후속관측 프로그램에는 고 에너지 천체물

리 학계에 중성미자 검출을 곧바로 통보하여 빠른 후속관측이

진행될 수 있도록 하는 실시간 경보 시스템이 대표적이다. 우

주선에 의해 만들어지는 수많은 뮤온 배경사건들이 아이스큐브

에서 검출되므로, 이 실시간 경보 시스템은 가장 먼저 배경사

건의 제거를 통해 충분히 순수한 중성미자 표본을 선정한다.

그 다음 선정된 중성미자 표본 안에서 대기 중성미자에 비해

상대적으로 낮은 비율로 존재하는 천체물리학적 근원을 지닐

것으로 추측되는 중성미자들을 찾아낸다. 여기에는 다시 서로

다른 두 가지 접근 방법이 사용한다. 하나는 중성미자 사건으

로 추측되는 여러 번의 사건들이 짧은 시간 동안 연속적으로

관측될 때 경보를 발령하는 것이고, 다른 하나는 검출기에서

매우 정확하게 재구성된 중성미자 사건이 높은 확률로 우주

중성미자에 의해 발생한 것이라고 판단될 경우 경보를 발령하

는 것이다. 두 번째 접근 방법에서는 중성미자 사건의 판단을

위해 다시 두 가지 사건 필터가 사용된다. 하나는 앞서서 설명

한 HESE 탐색 필터이고, 다른 하나는 ‘초 고에너지(Extremely

High Energy, EHE)’ 사건 필터이다. 이 EHE 필터는 이름에

서 그대로 드러나는 것처럼 수 PeV 이상의 아주 높은 에너지

를 기록한 사건들을 선택한다.

2017년 9월 22일 아이스큐브는 공개 경보로서 EHE 온라인

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물리학과 첨단기술 DECEMBER 201 8 35

Fig. 6. Sensitivity of the IceCube-Upgrade for determine the uni-

tarity of the PMNS matrix. Credit: IceCube Collaboration.

Fig. 4. Event view of IceCube-170922A. Figure from [Ref. 6].

REFERENCES

[6] IceCube Collaboration, Science 361, eaat1378 (2018),

Fig. 5. IceCube-Upgrade. 7 strings in the central region of IceCube.

Credit: IceCube Collaboration.

필터를 거쳐서 IceCube-170922A라고 이름 붙은 중성미자 후

보 사건을 학계에 보고하였다. 이러한 경보는 현재 1년에 약

4회 정도 발령되고 있으며, 이 경보들 중 선정문턱을 통과한

절반 정도가 실제로 우주 중성미자에 의한 사건이고 나머지는

대기 중성미자와 대기 뮤온에 의한 배경 사건들로 분석되고

있다. 위의 경보가 발령되고 얼마 지나지 않아 IceCube-

170922A 사건의 방향이 TXS 0506+056으로 이름 붙여진 블

레이저(blazar)의 방향과 일치하다는 것이 밝혀졌다.[6]

블레이저는 관측자의 시선과 거의 일치하는 방향으로 상대론

적 제트를 분출하는 활동은하핵(Active Galactic Nuclei, AGN)

이다. 이런 활동은하핵에서는 중앙에 위치한 초대질량블랙홀

(supermassive black hole)이 블랙홀에 유입되는 물질들로부

터 나오는 중력 에너지와 블랙홀 자체의 회전 에너지를 강력

한 상대론적 제트로 변환하여 분출한다. 오랫동안 이 제트들의

내부 영역에서는 입자들이 고 에너지로 가속될 수 있음이 알

려져 있었으며, 이렇게 가속된 입자들을 방출하는 제트는 아직

까지 확인되지 않은 고에너지를 지닌 우주선을 만들어내는 근

원의 후보 중 하나로 꼽혀왔었다.

블레이저 TXS 0506+056은 2017년 4월부터 ‘페르미 감마선

우주 망원경(Fermi Gamma-ray Space Telescope)’에 장비된

‘광역 관측 망원경(Large Area Telescope, LAT)’에 의해서 강화

된 감마선 활동(enhanced gamma-ray activity) 상태에 있음이

관측되고 있었다. 위의 경보가 발령되고 나서 ‘주요 대기 감마

선 이미징 체렌코프 망원경(Major Atmospheric Gamma Imaging

Cherenkov Telescope, MAGIC Telescope)’도 이 블레이저를

향한 후속관측 활동을 통해 최대 400 GeV 수준의 에너지를

지닌 감마선들을 관측했다. 이 결과들을 모두 분석한 결과

IceCube-170922A와 같은 아이스큐브에서 검출되는 중성미자

사건과 갑작스럽게 활동이 증가된 상태(flaring state)의 블레이

저가 그저 우연하게 같은 장소에서 발견될 가능성은 3 수준

에서 부정되었다.[6]

IceCube-170922A 중성미자 사건의 사건 디스플레이가 그림

4에 나타나 있다. 여러 색으로 표시된 원들은 신호를 감지한

DOM을 의미한다. 이 그림에는 각각의 DOM이 중성미자에서

나온 신호를 감지한 시간이 원에 칠해진 색깔로 표현되어 있

는데, 첫 번째 DOM에 가장 먼저 신호가 감지된 시간부터 가

장 마지막 DOM이 신호를 감지한 시간까지 진행된 상대적인

시간의 흐름이 어두운 파란색부터 밝은 노란색으로 구분된다.

가장 높은 정확도로 재구성된 자취의 방향이 화살표로 표시되

어 있으며, 이 방향은 중성미자의 상호작용을 통해 발생한 뮤

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물리학과 첨단기술 DECEMBER 201836

REFERENCES

[7] IceCube Collaboration, Science 361, 147 (2018).

[8] M. G. Aartsen, et al. (IceCube Collaboration), Astrophys. J.

835, 45 (2017).

온의 진행 경로를 나타낸다. 아이스큐브 연구단은 검출 신호의

재구성을 위해서 뮤온 중성미자가 검출기로부터 알지 못하는

거리 밖에서 반응한 다음 검출기를 통과하여 진행하는 상황을

컴퓨터 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 그 결과 이 중성미자

사건을 일으킨 중성미자는 290 TeV의 에너지를 지니고 있었

던 것으로 분석되었다.

IceCube-170922A 중성미자 사건과 TXS 0506+056 블레

이저가 서로 연관되어 있음을 확인한 아이스큐브 국제공동연

구단은 해당 블레이저의 위치에서 과잉 방출된 중성미자를 찾

기 위해 지난 9.5년 동안 아이스큐브에 기록된 중성미자 관

측 데이터를 조사하였다. IceCube-170922A 중성미자 사건의

경보를 발령한 순간부터 가까운 과거의 데이터에서는 TXS

0506+056 블레이저 위치에서 확인된 또 다른 중성미자 신호

를 확인할 수 없었다. 하지만 2014년 9월부터 2015년 3월까

지 7개월의 기간 동안 해당 위치에서는 대기 배경 사건을 넘

어서는 고 에너지 중성미자 사건들이 발견되었다. 시간에 따른

중성미자 다발의 변화를 고려했을 때, 이 사건들은 2017년의

갑작스러운 블레이저의 활동에서 확인한 중성미자와는 무관한

또 다른 중성미자들이 그 블레이저의 방향에서 방출되었다는

것을 3.5의 신뢰도로 확인되었다.[7]

아이스큐브에서 검출된 중성미자 사건들과 Fermi-LAT에서

관측한 감마선 블레이저 집단 사이의 상관관계를 알아보기 위

한 이전의 연구들은 이런 블레이저들이 관측된 중성미자들 중

10 TeV 이상의 에너지를 지닌 우주에서 기원한 중성미자 다

발의 일부만 생성할 수 있음을 보여주었다.[8] 이러한 한계는

블레이저들이 퍼진 중성미자 배경(diffuse neutrino background)

에 기여하는 것은 제한하지만, 아이스큐브의 전체 관찰 시간

동안 관측된 하나 혹은 두 개 정도의 고 에너지 중성미자들과

이 블레이저들의 연관성은 제약조건을 적용하더라도 여전히 유

효함을 알 수 있었다.

IceCube-170922A로 이름 붙은 단일 중성미자 사건과 전자

기적 활동의 연관성을 분석한 연구와 여러 중성미자들의 자체

상관성을 확인하기 위해서 이전에 기록된 데이터를 분석한 연

구는 통계적인 독립성을 지니고 있다. 따라서 아이스큐브에서

경보를 발령하게 한 사건과 갑작스러운 감마선 방출이 증가한

블레이저가 일치한다는 결과는 같은 천체에서 특정 기간 동안

중성미자의 방출이 증가하였었음을 확인한 결과와 함께 TXS

0506+056 블레이저가 고 에너지 중성미자의 근원이면서 동시

에 고 에너지 우주선의 근원과 밀접한 관련이 있다는 사실을

강력하게 뒷받침한다. 이번 아이스큐브의 관측 결과를 바탕으

로 세워진 이 새로운 이정표는 우주선의 근원에 대한 100년이

넘은 미스터리를 해결할 오랫동안 기다려온 돌파구가 될 수도

있을 것이다.

결론과 전망

중성미자 천체입자물리학은 빠른 속도로 성장하고 있는 학문

분야이며, 아이스큐브와 같은 중성미자 망원경들을 통해서 우

리 우주를 들여다 볼 수 있는 새로운 창을 열었다. 이번 연구

를 통해서 확인된 고 에너지 중성미자와 감마선 방출이 증가

하는 시기에 있는 블레이저 사이의 연관성은 이런 블레이저들

이 실제로 천체물리학자들이 오랫동안 찾고 있었던 매우 높은

에너지를 지닌 우주선의 근원일 수도 있음을 보여주고 있으며,

따라서 아이스큐브에서 관측된 우주 중성미자 다발의 상당 부

분도 이런 블레이저로부터 발생하였을 수 있다는 사실을 알려

준다. 아이스큐브에 기록된 과거의 중성미자 사건 데이터를 분

석하여 이 블레이저와 같은 방향에서 중성미자의 방출이 증가

하였음을 보여주는 결과가 이러한 결론을 뒷받침해준다. 이러

한 관측 결과들은 결과적으로 다중 신호를 통한 천체 관측과

연구(multi-messenger observation)가 지닌 능력과 앞으로 맡

게 될 역할의 중요성을 보여주었다고 할 수 있다.

가까운 미래에는 중성미자, 중력파, 감마선, 그리고 우주선을

포함하는 여러 종류의 신호 입자(messenger particles)들을 모

두 이용하는 다중 신호를 통한 천체 관측 연구 덕분에 우주에

관한 우리의 이해가 지금보다 훨씬 빠른 속도로 발전할 것으로

기대된다. 아이스큐브와 같은 매우 성공적인 과학 프로그램을

확대하고, 향후 수십 년간 중성미자와 관련된 새로운 발견들을

이끌어갈 새로운 검출기를 건설하기 위해서, 아이스큐브 국제공

동연구단은 현재 아이스큐브 검출기의 업그레이드를 진행 중이

다. 미국의 국립과학재단(NSF)으로부터 검출기 업그레이드 프

로젝트에 필요한 연구기금을 제공 받은 연구단은 그림 5와 같

이 현재 가동 중인 아이스큐브 검출기의 중앙부에 새롭게 7개

의 스트링을 추가하여 검출기를 업그레이드할 계획이다. 이 업

그레이드를 통해서 아이스큐브 중성미자 망원경은 그림 6이 보

여주는 것처럼 타우 중성미자가 지닌 특징의 측정과 중성미자

섞음을 설명하는 PMNS 행렬의 유니테리 성질(unitarity)의 확인,

그리고 중성미자 진동에 대한 연구와 비활성 중성미자(sterile

neutrino) 및 암흑 물질(dark matter)에 대한 탐색이라는 새로

운 목표들에도 한 걸음 더 다가갈 수 있을 것이다. 새로운 검출

기의 건설과 함께 검출기를 다시 보정(re-calibration)하는 작업도

진행될 것이다. 이 재보정 작업을 통해서 더욱 정밀해질 남극의

얼음 모형(ice models)은 아이스큐브에서 검출된 중성미자 사건

의 재구성(reconstruction) 결과를 크게 향상시켜 줄 것이다.