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|  | 데이비스 |  | |
| 미국의 천체물리학자.
선구적인 실험 연구를 통해 중성미자의 존재를 입증함으로써 ´중성미자 물리학´이라는 새로운 연구 분야를 개척했다. 2002년 일본의 천체물리학자 고시바 마사토시[小柴昌俊], 이탈리아 태생의 미국 천체물리학자 리카르도 지아코니와 함께 노벨 물리학상을 공동 수상했다.
매릴랜드대학교에서 학사(1937)·석사(1940) 학위를 받고 예일대학교에서 화학 박사학위(1942)를 받았다. 이후 육군에서 군복무(1942~46)를 마치고 굴지의 화학업체인 몬산토사에서 화학연구원(1946~48)으로 잠시 일하다가 1948년 뉴욕 롱아일랜드에 있는 브룩헤이번 국립연구소(Brookhaven National Laboratory/BNL)로 옮겨 1984년 정년 퇴임할 때까지 이곳에서 연구 생활을 계속했다. 1985년부터는 펜실베이니아대학교 천문학 연구교수로 활동했다.
데이비스는 일찍이 1950년대에 BNL의 연구용 흑연 원자로, 사우스캐롤라이나 주의 서배너 강에 있는 한 원자로에서 중성미자 연구를 시작했다. 그러나 이는 1970년대초 그가 사우스다코타 주 리드 시 근교의 홈스테이크 금광에서 이룬 개가의 전주곡에 지나지 않았다. 홈스테이크 금광에 설치한, 드라이클리닝 용매로 널리 쓰이던 테트라클로로에틸렌(무색의 밀도가 크고 비가연성이며 독성이 적고 물에 녹지 않는 매우 안정적인 액체 상태의 유기 할로겐 화합물로 1921년 영국의 화학자이자 물리학자인 마이클 페러데이에 의해 처음 합성되었음) 615t을 담은 길이 14.6m, 지름 6.1m의 탱크를 통해 미국의 물리학자 레온 레더먼이 ´겨우 존재하는 입자´로 부른 ´신비의 미립자´ 중성미자의 존재를 사상 처음으로 검출했다. 중성미자의 존재는 일찍이 1930년에 오스트리아 태생의 미국 물리학자 볼프강 파울리(1945년 노벨 물리학상 수상)가 이론적으로 예견했다. 에너지 보존의 법칙에 의하면 에너지는 생성될 수도 파괴될 수도 없다. 그런데 방사능의 일종인 베타 붕괴(원자핵에서 자발적으로 베타 입자가 방출되는 것)를 통해 에너지가 사라지는 것으로 추정되자 물리학의 핵심 원리인 이 법칙을 뒷받침하기 위해서는 새로운 입자의 존재를 설명해내야 했다. 그것이 바로 중성미자였다. 그는 베타 붕괴로 에너지가 사라지는 것처럼 보이는 것은 ´전하를 갖고 있지 않으며 물질과 거의 상호작용하지 않는 입자에 에너지를 빼앗기기 때문´이라고 주장했다. 1934년 이탈리아 태생의 미국 물리학자 엔리코 페르미(1938년 노벨 물리학상 수상)는 이 입자를 중성미자라고 명명하고 이 입자의 질량이 0일 것으로 추정했다. 중성미자의 존재가 실험적으로 확인된 것은 1956년 프레더릭 라인스(1995년 노벨 물리학상 수상)가 이끄는 연구팀에 의해서였다. 일찍이 19세기부터 태양 에너지원을 둘러싼 논쟁이 계속되었지만, 영국의 천체물리학자 아서 에딩턴(1882~1944)은 아인슈타인 공식(E=m·c2)을 이용해 수소가 헬륨으로 바뀌는 핵반응이 태양 에너지원임을 간파했다. 이어 독일 태생의 미국 이론물리학자 한스 알브레히트 베테를 비롯한 과학자들이 태양에서 수소가 산소로 바뀔 때 일련의 반응에 의해 헬륨 핵 1개당 2개의 중성미자가 만들어진다는 것을 설명해냈다. 그러나 대부분의 과학자들은 핵융합이 태양 에너지원임을 입증하기 위해 중성미자를 검출하기란 사실상 불가능하다고 여겼다. 이는 지구를 통과하는 중성미자가 매초 수조 개에 이르지만 물질과 거의 작용을 하지 않고 감쪽같이 사라지는 만큼 발견하기가 어렵기 때문이다. 하지만 라인스는 클라이드 코완 2세와 함께 원자로에서 방출되는 중성미자를 0.5㎥의 물이 담겨 있는 수조에 통과시켜 이때 발생하는 상호작용을 간단한 검출기로 확인했다. 그러나 이것만으로는 부족했다. 중성미자를 이용해 천체 현상을 연구하려면 어떤 현상이 일어날 때 중성미자가 얼마나 방출되는지를 실제로 관측해야만 하기 때문이었다. 데이비스가 홈스테이크 금광에 설치한 탱크 속의 테트라클로로에틸렌에는 약 some 2·1030개의 염소(C1) 원자가 들어 있었다. 앞서 이탈리아의 물리학자 브루노 폰데코르보는 중성미자가 염소 원자핵과 반응해 아르곤(A) 원자 1개와 전자 1개를 만들어내는데 이때 중성미자를 검출할 수 있다는 의견을 내놓았다. 아르곤 원자핵은 방사능을 갖고 있으며 수명은 약 50일이다. 이를 기초로 데이비스는 매달 약 20개의 전자 중성미자가 염소와 반응하리라고 계산했다. 즉 20개의 아르곤 원자가 만들어질 것이라고 생각한 것이다. 아르곤 원자를 추출해 중성미자의 수를 계산하는 것은 그가 개발한 독특한 방법이었다. 그는 염소 원자가 들어 있는 테트라클로로에틸렌과 여기에 달라붙어 있는 아르곤 원자들에 헬륨 가스를 방사했다.
이 어려운 실험을 통해 그는 1994년까지 30여 년 간 약 2,000개의 아르곤 원자를 추출해냄으로써 같은 수의 태양 중성미자를 관측했다. 태양 중성미자의 존재를 입증한 그의 오랜 실험 연구는 고시바가 이끄는 가미오칸데의 연구자들에 의해 뒷받침되었다. 데이비스의 발견은 핵융합이 태양 에너지원임을 실험적으로 입증함으로써 태양 에너지원을 둘러싼 2세기에 걸친 오랜 논란에 종지부를 찍는 것을 의미했다. 이는 그의 필생의 업적이었다. 그런데 그가 검출한 전자 중성미자는 그가 계산한 이론적 예상치(하루 2개)의 1/4에 불과한 이틀에 1개였다. 나머지 3/4는 어디론가 실종되었다. 이른바 ´태양 중성미자의 수수께끼´가 이것인데, 그는 제어실험을 통해 클로린 탱크 속에 아르곤 원자가 하나도 남아 있지 않음을 입증함으로써, 중성미자의 일부가 지구에 도달하는 과정에서 사라질 가능성을 보여 주었다.
노벨 물리학상을 받기 전까지 뉴욕 과학 아카데미 보리스 프레겔상(1957), 미국 과학 아카데미 콤스톡상(1978), 미국화학회 핵화학상(1979), 미국물리학회 톰 W. 보너상(1998), W. K. H. 파노프스키상(1992), 미국천문학회 헤일상(1996), 러시아 과학 아카데미 브루노 폰데코르보상(1999), 울프상(2000) 등을 수상했다.
by http://preview.britannica.co.kr/spotlights/nobel/ |
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