발밑 땅속의 천연 난방 히터
추운 겨울밤 1000와트 전기 히터를 켜고 온기를 느낄 때, 당신의 발밑 수천 킬로미터 깊은 땅속에서도 열기가 지속적으로 방출되고 있다. 지구 내부에서 나오는 전체 열에너지를 전 세계 지표면에 균등하게 나누면, 제곱미터당 일정량의 열이 끊임없이 우주로 발산되는 셈이다. 행성의 활성을 유지하는 이 핵심 지하 열원은 판 구조 운동과 지구 자기장을 생성하는 근본적인 동력이다.
지질학자들의 추산에 따르면 지구 내부 열량은 크게 두 가지 원천으로 구성된다. 하나는 45억 년 전 행성 형성 시기에 남아 있던 원시 잔열이고, 다른 하나는 맨틀 깊은 곳의 우라늄, 토륨, 칼륨 등 원소의 방사성 붕괴열이다. 후자의 지속적인 열 공급이 없다면 지구 내부는 진작 식어 고체화되어 화산도 지진도 없고 지구 자기장의 보호도 받지 못하는 달과 같은 죽은 행성이 되었을 것이다. 방사성 원소의 붕괴열은 지구 내부 방열의 절반가량을 차지하며, 이는 수만 개의 원자력 발전소가 동시에 가동되는 출력과 맞먹는다.
전통적인 지구물리학은 주로 지진파를 이용해 지하 세계를 들여다보았다. 지진파가 서로 다른 매질을 통과할 때의 속도 변화를 분석하여 지하의 강도와 밀도 구조를 매핑하는 방식으로, 지구에 ‘초음파 검사’를 하는 것과 유사하다. 그러나 지진파는 물질의 화학 성분을 구별할 수 없어, 맨틀 깊은 곳에 우라늄과 토륨이 정확히 얼마나 매장되어 있는지는 그동안 정확히 정량화할 수 없었다.
벽도 통과하는 ‘유령 입자’
이러한 한계를 깨뜨린 도구는 원래 우주 연구에 쓰이던 미시 입자에서 나왔다. 뉴트리노(중성미자, 질량이 극히 작고 전하가 없으며 일반 물질과 거의 반응하지 않는 미시 입자로, 매초 수조 개가 당신의 몸을 통과함)는 놀라운 투과 능력을 가지고 있다. 지구 내부의 우라늄과 토륨 원소가 붕괴할 때, 특별한 뉴트리노인 지오뉴트리노(geoneutrino, 지구 내부의 우라늄, 토륨, 칼륨 등 천연 방사성 원소가 붕괴하는 과정에서 방출되는 뉴트리노)가 함께 방출된다.
지오뉴트리노는 맨틀 깊은 곳에서 직접 발송되는 화학적 신호 증명서와 같다. 두꺼운 암석과 지각의 방해를 거의 받지 않고, 2900km 두께의 맨틀과 지각을 일직선으로 통과해 우주로 날아간다. 과학자들이 지표면에서 이 입자들을 포착할 수 있다면 지하 방사성 원소의 실제 함량을 직접 계산할 수 있다.
퀸스 대학교 SNO+ 실험 과학자 라이언 베이즈(Ryan Bayes)는 이 연구가 우주 깊은 곳에서 오는 신호를 연구하는 다른 관측 프로젝트와 달리 지구 자체에 초점을 맞춘 유일한 뉴트리노 연구라고 설명한다. 이 유령 입자를 포착함으로써 지질학은 지구의 화학 성분을 직접 측정할 수 있는 장비를 갖게 되었다.
지하 2km의 거대 탐지 구체
지오뉴트리노를 포착하는 것은 극도로 어렵다. 뉴트리노가 일반 물질과 충돌하는 경우가 매우 드물기 때문에, 세계 과학자들이 지난 수십 년간 포착한 일반 뉴트리노는 수십만 개에 달하지만 포착된 지오뉴트리노는 겨우 수백 개에 불과하다. 지표면 우주선의 간섭을 피하기 위해 탐지기는 매우 깊은 지하에 건설되어야 한다.
2025년 11월, 캐나다 서드베리 크레이턴(Creighton) 광산 지하 2km 깊이에 위치한 SNO+ 실험이 지오뉴트리노 포착에 성공했다. 이는 서반구에서 최초로 기록된 지구 심부 입자 신호로, 글로벌 관측 데이터베이스에 약 50개의 보물 같은 샘플을 추가했다. SNO+ 탐지기 내부에는 780톤의 액체 신틸레이터(liquid scintillator, 고에너지 입자와 충돌하면 극히 미세한 빛을 내는 특수 화학 액체)가 채워져 있으며, 구체 벽면에는 1만 개에 가까운 고감도 광전증폭관이 배치되어 있다.
외부 불순물의 오염을 막기 위해 지하 실험실 입장 절차는 매우 엄격하다. 모든 인원은 철저히 샤워를 하고 먼지가 없는 깨끗한 옷으로 교체해야 한다. 탐지기 엔지니어 매트 데파티(Matt Depatie)는 방문객들에게 이곳의 샤워 시설이 과학 연구를 위해 준비된 것이라며, 지표면 먼지 한 알의 방사능조차 실험을 망칠 수 있다고 설명하곤 한다. 이전에는 일본의 KamLAND 실험과 이탈리아의 Borexino 실험만이 지오뉴트리노를 포착한 적이 있었으며, SNO+의 성공은 글로벌 관측 네트워크가 중요한 한 걸음을 내딛었음을 의미한다.
사진: 캐나다 SNO+ 실험에서 지하 2km 거대 구형 탐지기 아래에 서 있는 연구진. 출처: Leo Duquette / SNOLAB
불균일한 맨틀 퍼즐
SNO+ 데이터가 공개되면서 세계 3곳 탐지기의 데이터를 비교한 과학자들은 예상치 못한 현상을 발견했다. 이탈리아 Borexino에서 측정된 지오뉴트리노 플럭스가 가장 높았고, 일본 KamLAND에서 측정된 플럭스가 가장 낮았으며, 캐나다 SNO+ 데이터는 그 중간에 위치했다.
이러한 지역적 차이는 과거의 연구 통념을 깨뜨렸다. 전통적인 모델에서 맨틀은 지속적인 고온 대류가 일어나는 끓는 죽과 같아서, 오랜 시간의 유체 흐름으로 내부 성분이 완전히 균일하게 섞였을 것으로 여겨졌다. 그러나 데이터는 대륙마다 그 아래 맨틀의 화학 성분 분포에 명확한 차이가 있음을 보여주었다.
추가 비교 분석 결과, 지오뉴트리노 플럭스가 높은 지역은 맨틀 최하단의 두 거대 구조인 대형 저속도 영역(Large Low-Shear-Velocity Provinces, LLSVP, 맨틀 최하층에 위치하며 대륙만큼 넓고 온도가 매우 높으며 밀도가 큰 거대 암석 구조)과 대략 일치하는 것으로 나타났다. 하나는 아프리카 대륙 바로 아래에, 다른 하나는 태평양 바로 아래에 위치한다. SNO+ 연구팀 책임자 마크 첸(Mark Chen)은 이것이 맨틀 심부 성분의 불균일성을 보여주는 첫 번째 직접적인 증거일 수 있으며, 지하 깊은 곳에 아직 이해되지 않은 원소 농축 구조가 숨어 있음을 암시한다고 지적했다.
사진: 이탈리아 Borexino 탐지기 내부, 광전증폭관 내벽 앞에 서 있는 작업자. 출처: Volker Steger / LNGS-INFN
중국 장먼 거대 탐지기의 ‘고화질 시대’
지난 20여 년간 전 세계 모든 탐지기가 포착한 지오뉴트리노를 합쳐도 수백 개에 불과해, 마치 희미한 플래시로 광대한 지하 세계를 비추는 것과 같았다. 맨틀의 방사성 열 분포를 완벽히 밝혀내기 위해서는 더 크고 감도가 높은 관측 장비가 필요했다.
중국 광둥성 카이핑 지하에 위치한 장먼 중성미자 실험(JUNO)이 이 돌파구 임무를 맡았다. JUNO는 2만 톤의 액체 신틸레이터를 보유하고 있으며 2025년 8월 정식 가동을 시작해 2026년 내에 첫 지오뉴트리노 플럭스 데이터를 발표할 예정이다. 이 거대한 규모는 가동 첫해에 포착하는 지오뉴트리노 수가 지난 수십 년간 전 세계 모든 탐지기가 누적한 총합을 넘어설 것임을 의미한다.
중국과학원 및 메릴랜드 대학교 지구화학자 윌리엄 맥도너(William McDonough)는 JUNO의 방대한 데이터 덕분에 연구자들이 지구 내부의 화학 지도를 본격적으로 그리기 시작할 것이라고 언급했다. 과학자들은 대륙 지각의 암석 간섭을 피하고 맨틀에서 나오는 뉴트리노 신호를 직접 탐지하기 위해 탐지기를 수천 미터 깊이의 해저에 침강시키는 구상까지 이미 시작했다.
사진: 중국 JUNO 탐지기 내부, 황금빛 광전증폭관으로 가득 찬 구형 벽면. 출처: JUNO Collaboration / Quanta Magazine
행성 심부의 진정한 심장소리를 듣다
지오뉴트리노 탐지 기술의 성숙은 깊이 2900km에 달하는 맨틀 연구를 간접적 추정에서 직접적 측정으로 전환시켰다. 인류는 과거 지진파의 반사에 의존해 심부 구조를 추측했지만, 이제 지각을 통과하는 이 유령 입자들을 통해 맨틀 깊은 곳의 실제 원소 암호를 읽어낼 수 있게 되었다.
맨틀 깊은 곳 우라늄과 토륨의 붕괴열은 지구 내부 방열 출력을 결정할 뿐만 아니라 판 이동과 지구 자기장 장벽의 진화를 좌우한다. 지오뉴트리노의 분포 플럭스를 밝혀내는 것은 인류가 발밑 행성의 에너지 원천을 다시 이해하는 데 기여한다.
방대한 입자 데이터가 전 세계 관측 네트워크로 연이어 수집되면서 완전한 지하 화학 지도가 펼쳐지고 있다. 인류는 지표면 위에 서서 미시 입자의 궤적을 통해 지구 심부 역사를 엿볼 수 있는 열쇠를 쥐게 되었다.
참고 링크:
- Quanta Magazine 보도
- SNO+ 실험 연구 보고서
- JUNO 실험 발표 데이터
