중성미자(neutrino)는 우주를 구성하고 있는 기본 입자들 가운데 가벼운 페르미온에 속하는 입자이다. 중성미자는 태양 또는 지구 대기, 원자로 등에서 생성되는데, 현재까지 세 가지 맛깔상태(flavor state)의 중성미자가 발견되었다. 바로 전자, 뮤온, 그리고 타우 중성미자이다. 중성미자들은 질량(아직 측정되지 않았지만 매우 작아서 전자 질량의 100만분의 1 또는 그보다 작을 것으로 추정)을 가지고 있어 세 개의 질량 상태(mass state)로 나눌 수 있다. 중성미자의 질량 상태와 맛깔 상태는 일대일로 대응되지 않고 어긋나 있는데, 이 상태들 사이의 섞임(mixing)에 따라 진동(oscillation)이라는 특별한 현상을 관측할 수 있다.

핵분열을 이용해 전기 에너지를 생산하는 원자력 발전소는 열출력 1GW(기가와트)당 1초에 약 2×1020개의 반전자중성미자(anti-electron neutrino)를 방출하는 엄청난 공급원이다. 세계적으로 1980년대와 1990년대에 걸쳐 단거리 원자로 중성미자 실험이 다양하게 수행됐는데, 이들의 결과를 종합적으로 분석해보면 관측된 중성미자의 개수는 예측되는 개수에 비해 평균 7%가량이 적다는 사실이 밝혀졌다. 이를 '원자로 반중성미자 이상 현상(Reactor Antineutrino Anomaly)'라고 한다. 흥미롭게도 아직 발견되지 않은 새로운 종류의 중성미자와 기존에 알려진 중성미자와의 섞임을 가정하면 이 현상을 설명할 수 있다.

▲ NEOS 실험에서 측정된 원자로 중성미자 이벤트의 개수. 2000여 개의 신호 중 배경신호는 80개가량인 것으로 관측됐다．

새로운 중성미자는 섞임 이외에 일반적인 전자기약 상호작용이 없어 불활성(sterile)이라는 수식어가 붙는다. 최근 암흑 물질의 주요 후보 가운데 하나로 주목받고 있다. 원자로 반중성미자 이상 현상을 설명하는 불활성 중성미자의 질량은 대략 1eV(전자볼트, 1eV = 1.8×10-36kg)일 것으로 추정된다. 이는 원자로의 코어로부터 수 m에서 수십 m 떨어진 곳에서 중성미자의 진동 현상을 측정해 확인할 수 있다고 예견됐다. 이에 따라 현재 100MW(메가와트)급 연구용 원자로 및 GW급의 상용 원자로를 이용한 다수의 단거리 원자로 중성미자 측정 실험이 세계 곳곳에서 진행되거나 계획되고 있다.

▲ 우주의 기원과 현상을 설명하는 표준모형

지하실험 연구단(단장 김영덕)이 주축이 된 NEOS(Neutrino Experiment for Oscillation at Short baseline) 연구진은 열출력이 2.8GW인 전남 영광 한빛원자력발전소 5호기에서 가동 중인 핵연료와 24m 거리에 있는 텐던 갤러리(tendon gallery)에서 중성미자의 에너지 스펙트럼을 측정했다. 단거리 중성미자 측정은 우주선(cosmic ray)에 의해 발생하는 배경신호를 차단할 수 있을 만큼 충분한 깊이에서 실험할 수 없어 어려운 점이 있다. 하지만 텐던 갤러리는 지표로부터 약 10m깊이에 위치해 주변 지형, 원전 시설 등으로부터 차폐 효과를 얻을 수 있다. 지표상의 실험에 비해 이득을 얻을 수 있는 셈이다. 또한 연구진은 실험을 위해 새롭게 액체섬광물질과 데이터 분석장비를 개발해 실험에 활용했다. 우주선에 의해 발생하는 고속 중성자가 만드는 배경신호를 파형 식별(pulse shape discrimination)을 통해 효과적으로 걸러낼 수 있었고, 연구진은 원전 가동 시 하루에 약 2000개에 가까운 중성미자 신호를 측정할 수 있었다. 2000여개의 신호 중 배경신호는 80개가량인 것으로 관측됐다. 이런 중성미자 신호의 배경신호 대비 측정 효율은 지금까지 발표된 어떠한 실험 결과보다도 우수하다.

한편 측정된 중성미자의 에너지 스펙트럼은 딱히 진동 신호를 보이지 않는 것으로 확인됐다. 연구진은 원자로 반중성미자 이상 현상을 설명할 수 있는 불활성 중성미자의 질량과 섞임 정도에 대한 새로운 한계를 확인했다