중성미자 이용한 통신 가능할까? 기지국, 통신위성 필요 없어질 수도

지난 2010년 한 해 동안 유럽입자물리연구소에서 거대강입자충돌기 실험을 두 차례 성공시키면서 물질을 이루는 근원이 되는 소립자들에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 특히 중성미자는 오래전부터 많은 학자들의 연구대상이 돼 왔다. 우리나라에서도 지난 2006년부터 이 중성미자 연구를 위해 영광 원자력발전소 인근에 중성미자 검출기를 건설하고 있다. 이는 완공을 눈앞에 두고 있으며 앞으로 이 장비의 가동이 한국 과학기술의 발전에 지대한 공헌을 할 것이라 기대된다. 그 응용의 대표적인 분야가 바로 통신이다. 중성미자를 이용한 통신은 아직 구상단계일 뿐이지만 이것이 상용화 될 경우 통신기술에 그야말로 혁신적인 변화를 가져다줄 수 있을 것이기 때문이다.  물 속에선 빛보다 빠른 중성미자

▲ 태양에서 방출되는 중성미자로 찍은 태양의 모습  ⓒNASA 중성미자는 현재까지 알려진 가장 작은 물질을 이루는 기본입자 중 하나다.

핵분열과정인 베타붕괴를 관찰하던 이론물리학자 파울리는 그 결과를 통해 ‘전기적으로는 중성을 띄며 질량은 매우 작거나 거의 없는 입자가 존재할 것’이라는 가능성을 제안했다. 이것이 바로 중성미자이다.

중성미자는 발견 당시 빛과 같은 속도로 운동했기 때문에 질량이 없다고 여겨졌다. 또한 미세하나마 질량이 있다는 것이 현대에 와서야 규명이 되는 등 여전히 인류에게 매우 어려운 물질이다.

또한 공기 중이 아닌 물속에선 빛보다 빠른 속도를 내기도 한다. 이 때문에 초음속 비행기가 음속을 돌파하면서 발생하는 충격파 현상과 같은 ‘빛의 충격파’ 현상이 발생하게 된다. 실제로 이와 같은 현상은 중성미자를 검출하기 위한 장비들에서 관찰되며 특정 매질에서 빛보다 빠르다는 성질은 엄청난 매력을 갖는다.

하지만 무엇보다 중성미자의 가장 큰 특징은 바로 믿지 못할 정도의 투과력이다. 중성미자는 약력이나 전자기력에 영향을 받는데 전기적으로 중성인데다가 질량이 거의 없다고 할 만큼 적기 때문에 그 효과는 매우 미미하다. 그렇기 때문에 일반 물질들과는 거의 반응하지 않고 투과하는 성질을 가지게 된다.

더욱 놀라운 것은 그 수가 헤아릴 수 없을 만큼 많다는 것. 초당 우리 몸을 통과하는 중성미자만 하더라도 수조 개에 이른다. 중성미자는 이처럼 우주 전역에 걸쳐 존재하고 있으며 특히 태양과 같은 항성에서 수도 없이 많은 양이 계속 방출되고 있다. 실제로 지하에 설치된 일본의 우주소립자 관측 장치인 ‘슈퍼카미오칸데’에선 태양이 방출하는 중성미자만으로 태양의 사진을 찍은 일도 있다.

기지국, 통신위성 필요 없어지는 중성미자 통신

이와 같이 빛에 가까운 속도, 특정 매질에선 빛보다 빠른 속도, 엄청난 투과력, 그리고 우주에 가득 차 있다는 특징들은 중성미자가 통신기술로 활용하기에 그 어떤 것보다 좋은 물질임을 분명하게 보여준다.

현재도 통신기술은 매우 발달해 있지만 여전히 문제점이 많다. 작은 예로 엘리베이터나 지하실, 깊은 산속에 들어가면 통신의 감이 떨어지거나 통신 자체가 불가능해지는 일이 있다. 요즘엔 많은 기지국이 설치되고 있어 조금 나아지긴 했지만 여전히 특정 지역에서 감이 떨어지는 현상은 발생한다.

이는 현재 사용하고 있는 전자기파가 장애물의 영향을 받기 때문이다. 문제는 이 뿐만이 아니다. 전자기파는 쉽게 감지가 가능하고 여러 요소에 영향을 받기 때문에 전파 방해 현상이 일어나기도 하며, 의도적인 전파방해나 도청과 같은 범죄에 이용될 수 있기도 하다. 이는 특히 군사작전이나 국가 안보사항 등에 문제를 일으킬 수도 있다.

하지만 중성미자를 통신에 이용한다면 어떨까? 우선 거리낄 장애물이 없으며 일반적인 방법으로는 방해나 도청 등이 불가능하다. 또한 전달도중 변형될 우려가 적어 잡음이나 결함이 없는 깨끗한 무선통신을 가능하게 할 수 있다. 게다가 전자기파가 물속에서는 느려진다는 단점을 극복할 수도 있다. 이는 잠수함에서와 같은 해저 통신에 큰 이점을 가져다준다.

또한 기지국을 지금처럼 많이 건설 할 필요도 없으며 통신 위성을 쏘아올리고 운영하는 데 드는 비용도 줄일 수 있다. 현재는 지구 반대편으로 전파를 전달하기 위해 위성을 이용하지만 지구조차 통과해 버리는 중성미자를 사용하면 그럴 필요가 없어지는 것이다.

한국에서 보낸 전파가 위성에 도달하고 다시 미국으로 전달돼는 과정과는 다르게 지구를 신경 쓰지 않고 직선거리로 통신이 가능해 이와 같은 경로의 단축만으로도 엄청난 효과를 기대할 수 있다.

검출과 통제 어렵지만 활발한 연구 진행 중

▲ 일본의 우주소립자 검출기인 슈퍼 카미오칸데  ⓒJ.ARGYRIADES 이렇게 중성미자가 통신기술에 쓰일 수만 있다면 엄청난 발전과 변화를 가져다 줄 수 있을 것으로 기대되고 있다. 하지만 이에 대해 불가능한 일이라는 의견도 있다. ‘물질과의 상호작용이 거의 없는’ 중성미자의 특성 때문에 그들을 검출하는 것 자체가 너무 어렵다는 것이다.

게다가 우주에서 쏟아지는 우주선(cosmic-ray)이 중성미자 검출에 방해가 되기도 한다. 이 때문에 중성미자를 검출하기 위한 장비들은 다른 우주선들이 도달하지 못하도록 지하 깊은 곳에 설치된다. 대표적인 중성미자 검출기인 일본의 ‘슈퍼 카미오칸데’는 지하 1km지점에 설치돼 있으며 미국에서 남극에 설치중인 검출기인 ‘아이스 큐브’는 지하 2.4km에 달할 정도다.

이에 현재로써는 중성미자를 쉽게 검출하고 통신에 이용할 수 있을 만큼 통제가 가능한 구체적인 기술개발은 매우 어려운 것으로 보인다. 하지만 과학기술의 발전은 언제나 인류를 놀라게 하는 만큼 그와 같은 장치가 발명되지 못하리란 법은 없다. 더욱이 그 기술의 발명이 가져다줄 엄청난 이점을 생각해 본다면 연구 가치도 그만큼 높다.

이에 세계 각국에선 중성미자에 대한 검출과 연구에 대한 움직임이 활발하게 진행되고 있다. 우리나라 또한 ‘원전 중성미자 진동변환 실험’을 위한 준비가 막바지에 이르렀다. 우리나라 검출기의 경우는 일본이나 미국의 그것과는 다른 방식을 사용한다. 중성미자가 원자력 발전소의 원자로에서 일어나는 핵분열반응에서도 나온다는 점을 이용해 영광 원자력 발전소 인근에 검출기를 건설하고 있는 것이다. 이는 곧 완공을 앞두고 있어 우리나라의 입자물리 연구에 큰 힘이 될 것이라 여겨진다.