물리학과 노창동 교수 연구팀 참여 국제공동연구, 아이스큐브 중성미자 관측소 대규모 고도화 사업 진행

(왼쪽 위부터) 노창동 교수, 신민지 박사과정생, 경준호·김태윤 석박통합과정생, 손지영 석사과정생, 정유현·박민제·임준혁 학부연구생

물리학과 노창동 교수 연구팀이 참여하고 있는 아이스큐브 국제공동연구단이 아이스큐브 완공 이후 15년 만에 이루어진 첫 번째 주요 확장인 아이스큐브 업그레이드(IceCube Upgrade)를 성공적으로 마무리했다.

아이스큐브는 남극의 얼음을 검출 매질로 활용하여 우주에서 온 중성미자를 관측한다. 5,000개가 넘는 광 센서를 통해 중성미자가 얼음 속에서 상호작용하며 생성한 2차 하전 입자들이 방출하는 빛을 포착하여 중성미자의 에너지와 진행 방향을 재구성한다. 이를 통해 아이스큐브는 현재까지 천체물리학적 중성미자를 발견하고 두 개의 은하를 중성미자 원천으로 규명했을 뿐만 아니라 우리 은하에서 기원한 중성미자도 관측하는 데 성공했다.

아이스큐브의 업그레이드는 86개의 스트링(string)으로 이루어진 기존 검출기의 중앙 부분에 6개의 새로운 스트링을 추가하여 더 촘촘한 레이아웃을 갖게 되며, 600개가 넘는 고성능 광 센서와 다양한 교정 장비가 새롭게 추가된다. 새로운 고성능 광 센서로는 mDOM과 D-Egg 두 종류가 있으며, 기존 검출기에 사용된 센서보다 2~3배 높은 감도를 제공한다. 또한, mDOM과 D-Egg 외에도 미국, 독일, 스웨덴, 한국 연구팀들이 정밀 교정 장치와 카메라, 아이스큐브의 향후 확장 계획인 아이스큐브-Gen2(IceCube Gen2)를 위한 프로토타입(prototype) 센서 등의 다양한 특수 모듈 개발에 기여했다.

▲ 밤하늘 아래에 IceCube Lab이 보이며, 배경에는 오로라와 함께 은하수가 펼쳐져 있다.

특히 이러한 특수 모듈 가운데 약 2천 개 이상의 소형 카메라와 LED 광원으로 구성된 카메라 시스템은, 현재 미국 유타대학교에 재직 중인 카르스텐 로트 교수가 성균관대학교에 재직하던 시절 주도한 연구팀이 설계·개발·생산한 연구 성과이다. 이 과정에는 성균관대학교 학부연구생과 대학원생, 연구원들이 참여했으며, 현재 노창동 교수 연구팀 소속의 신민지 박사과정생과 박민제 학부연구생 또한 생산 과정과 시뮬레이션 연구에 기여했다. 이 시스템은 검출기 매질인 남극 얼음의 광학적 특성을 보다 정확히 이해하는 것을 목표로 하며, 이를 통해 빛이 얼음 속을 전파하며 발생하는 효과를 교정함으로써 중성미자의 에너지와 방향을 더욱 정밀하게 재구성할 수 있을 것으로 기대된다. 카메라 시스템의 관측 결과는 이번 아이스큐브 업그레이드에 함께 설치된 다양한 교정 장비들의 관측 결과와 종합적으로 활용되어, 향후 중성미자 관측 결과는 물론 지난 수년간 축적된 기존 아이스큐브 데이터의 재분석에도 사용될 예정이다.

아이스큐브 업그레이드는 중성미자 진동과 같은 중성미자의 성질을 보다 정밀하게 측정할 수 있게 해주며, 나아가 우주선 입자의 조성 규명과 우리 은하에서 발생하는 초신성으로부터 방출되는 중성미자 측정에도 기여할 것으로 기대된다.

▲ 아이스큐브 성능 고도화는 상단 평면도에서 빨간색으로 표시된 위치에 설치된 6개의 신규 스트링으로 구성된다. 기존 배열은 파란색, 저에너지 확장 배열(DeepCore)은 초록색으로 표시되어 있다. 또한 새롭게 도입된 mDOM과 D-Egg 모듈은 각 내부에 다수의 광센서를 포함하고 있다.

물리학과 노창동 교수 연구팀(고에너지 입자 천체물리 실험 연구실)은 이번 아이스큐브 업그레이드를 통해 확보되는 향상된 데이터를 바탕으로, 고에너지 중성미자 데이터의 질적 향상에 초점을 맞춘 중성미자 천체물리 연구를 수행할 예정이며, HAWC 실험을 통한 고에너지 감마선 관측 결과와의 통합 분석을 통해 고에너지 우주선의 기원을 규명하는 연구를 진행하고 있다.

기존 검출기 관측 부피의 8배에 달하는 차세대 실험으로 제안된 아이스큐브-Gen2를 향한 디딤돌인 이번 업그레이드는 향후 수년간 아이스큐브가 중성미자 천문학 분야의 최전선을 유지하는 데 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다.

○ 관련 언론보도

- 남극 빙하에 검출기 5800개… 우주 기원 단서 ‘중성미자’ 찾는다 <동아일보, 2026.02.13.>