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가운데는 물 위에 떠 있는 보트이다 벽면에는 광전자증폭관이 붙어 있는 것을 볼 수 있다 |
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1. 개요
KAMIOKANDE / カミオカンデ카미오칸데는 중성미자를 관측하기 위해 도쿄대학 우주선연구소가 일본 기후현 카미오카 광산 지하에 설치한 물리학과 천문학 관측 장치들이 공유하는 이름이다. 현재까지 노벨물리학상만 2개를 배출한 거대연구시설.
도쿄대학 우주선 연구소 카미오카 우주 소립자 연구시설이 보유중인 장치.
2. 상세
카미오카 우주 소립자 연구시설은 카미오칸데 시리즈 이외에도 KAGRA(LCGT), 캠랜드(KamLAND, カムランド), CLIO, XMASS가 같이 지하에 건설되었다.현재는 미국의 아이스큐브나 러시아의 바이칼-GVD 처럼 하이퍼 카미오칸데보다 규모가 훨씬 큰 중성미자 관측 장비가 등장했으나 여전히 중요한 중성미자 관측 장비로 사용중이다.
카미오칸데를 이용하여 이루어지는 연구들은 물리학적으로 매우 중요한 것들이다. 예컨대 카미오칸데를 통해 중성미자를 검출하고 CP 대칭성 찢어짐 현상을 관측한 고시바 마사토시, 고바야시 마코토, 마스카와 도시히데, 난부 요이치로 4인의 일본인 과학자들이 노벨물리학상을 수상한 바 있는만큼, 이 시설을 통해서 얻을 수 있는 연구들은 현대물리학의 최전선에 있는 연구 분야 중 하나로 여겨진다. 더 나아가서는 카미오칸데를 통해서 중성미자 질량 순서 결정 문제와 양자 붕괴 현상 등의 대통일 이론과 관련된 연구에 접근해볼 수 있을 것으로도 기대되고 있다. 이러한 연구들은 모두 우리가 어떻게 이 우주에서 존재할 수 있는지에 관한 근본적인 이야기에 대해 그 해답의 실마리를 알려줄 가능성이 있는 연구들이다.
3. 카미오칸데 시리즈
3.1. 카미오칸데 (1983-1996)
도쿄대학 우주선연구소가 1982년에 짓기 시작해 1983년 4월에 완공했다. 당초 물질의 안정성을 실험하는 게 목적이었다. 광산 지하 1,000m 에 설치. 원자핵속의 핵자 중 하나인 양성자가 붕괴하는지 확인하려고, 순수한 물 3,000톤을 담은 탱크를 설치했다. 물탱크 크기는 높이 16미터, 지름 15.6미터였다.검출기는 1985년에 업그레이드됐으며 중성미자 검출기로 전환됐다. 약 5000톤의 순수한 물을 담은 특수 물탱크에 1000여 개의 광전자증폭관(Photo Multiplier Tube) 등을 포함하고 있다. 물속에 들어온 중성미자가 물 분자 안의 수소 원자핵과 충돌하여 발생하는 체렌코프 방사 빛을 검출하는 방식이다.
그리고 1987년 2월 대마젤란은하에서 발생한 초신성 1987A가 내뿜은 중성미자를 검출하는 데 성공했다. 1988년에는 태양 중성미자를 관측하였다.
카미오칸데 실험을 진두지휘했던 일본의 고시바 마사토시는 미국의 천체물리학자 레이먼드 데이비스 2세(Raymond Davis Jr.), 이탈리아의 지아코니(Riccardo Giacconi)와 공동으로 2002년도 노벨물리학상을 수상하였다.
카미오칸데 실험은 1996년 슈퍼 카미오칸데 실험이 시작되면서 끝났다. 해당 위치에는 캠랜드를 설치하였다.
이름(KamiokaNDE)은 카미오카 핵자(Nucleon)붕괴(Decay) 실험(Experiment)의 준말이다.
대통일 이론이 예언하는 양성자 붕괴가 실존하는지 관측하는 것이 원래의 목적이었다. 원래 당대의 SU(5) 모델에서 예측되는 양성자의 수명은 1E30~1E32년이었으나, 카미오칸데에서 양성자 붕괴가 관측되지 않으면서 예상 수명이 1E34년 이상임을 얻어냈다.
3.2. 슈퍼 카미오칸데 (1996-가동중)
기존 카미오칸데보다 훨씬 크고 물의 양도 10배인 5만 톤으로 늘린 높이 41.4m, 너비 39.3m의 증류수 탱크이다. 광산 지하 1,000m 에 설치되어 있다.태양 중성미자 검출 능력이 카미오칸데의 설계 능력으로는 애시당초 부족했기 때문에, 1983년 말부터 고시바 교수가 새로운 검출 장치에 대한 제안을 하고 있었다. 건조는 1991년 개시하여 1996년 4월 1일 완공하였다.
고시바 교수 등은 슈퍼 카미오칸데를 건설하여 중성미자 검출 실험을 계속하였고, 그의 제자였던 가지타 다카아키(梶田隆章) 등은 중성미자 진동 발견으로 2015년도 노벨물리학상을 수상하였다.
슈퍼 카미오칸데를 이용한 국제 공동연구팀은 가속기를 통해서 인위적으로 만들어진 중성미자 빔을 멀리 떨어진 곳에서 검출기로 관찰하는 실험 결과, 최초의 중성미자가 다른 종류의 중성미자로 변환되는 진동 현상을 관측함으로써 중성미자에 질량이 있음을 입증한 것이다.
2001년 11월 12일, 광전자 증배관의 70% 가 파손되는 사고가 발생했다. 보수 작업시 부하로 발생한 크랙으로 인한 사고로 알려졌다.
광전자 증배관 생산에 4년이 필요해서, 2002년에는 방폭조치를 실시하고 예비 증배관까지 도입하여 부분 복구했다. (슈퍼 카미오칸데 2)
2005년 10월부터 교환 작업을 실시하여 2006년 4월 완료, 건조 당시와 같은 증배관으로 복구하였다. (슈퍼 카미오칸데 3)
2008년 여름, 성능 향상을 위해 신호 판독 회로를 교체했다. (슈퍼 카미오칸데 4)
2020년 8월부터 초순수에 가돌리늄을 추가하여 중성미자 관측 감도를 향상하였다. (슈퍼 카미오칸데 5)
슈퍼 카미오칸데는 기존 세대 카미오칸데의 약어와는 조금 다르다. Super-Kamioka Neutrino Detection Experiment(초가미오카 중성미자 검출 실험)과 Super-Kamioka Nucleon Decay Experiment(초가미오카 핵자 붕괴 실험)의 약자로 지칭되고 있다.
3.3. 하이퍼 카미오칸데 (2027 가동 예정)
이후 슈퍼 카미오칸데보다 큰 3번째 거대실험시설인 하이퍼 카미오칸데를 2027년 완료 목표로 건설중이며 건설 예산은 약 650억엔이다.하이퍼 카미오칸데의 규모는 높이 71m, 지름 68m의 증류수 탱크로 광전자증폭관(Photo Multiplier Tube)은 최초의 카미오간데보다 40배 증가한 4만개가 장착된다. 탱크의 유효 부피는 슈퍼 카미오간데의 10배라서 슈퍼 카미오간데에서 100년간 얻을 수 있는 데이터를 하이퍼 카미오간데에선 10년만에 얻을 수 있다.
4. 기타
- 슈퍼 카미오칸데 시설 공개 #는 연 1회 가을에 진행되고 있다. 그 외 부정기적으로 시설 보수등의 발생시 취재진에게 공개할 때도 있다. (슈퍼 카미오칸데 2018년)
- 여름에 진행되는 지역 과학축제인 GSA #에서도 카미오카 광산 시설 전체에 대한 견학 프로그램을 가지고 있다.
- 노벨 물리학상 2개 수상 이후의 일화로 스승인 고시바 마사토시와 제자인 가지타 타카아키가 대면하는 영상( 해당 유튜브 영상(교도통신, 일본어)) 1분 43초 부분에서 고시바 마사토시는 '나의 노벨 물리학상(2002년)은 작은 카미오칸데 3천톤의 물 덕분이고 카지타의 노벨 물리학상(2015년)은 슈퍼 카미오칸데 5만톤의 물 덕분이다. 우리들은 물의 중요함을 잊어선 안된다'라고 이야기 했다.