프랑스 원자력·대체에너지청(CEA) 산하 이르푸(Irfu) 연구소의 과학 책임자 세바스티앙 프로퀴르(Sébastien Procureur)는 이집트 피라미드 주변에 설치될 뮤온 망원경 개발을 이끈 핵심 인물이다. 그가 직접 밝히는 우주선 뮤온 검출 기술의 원리와 스캔피라미드(ScanPyramids) 미션 합류 배경을 인터뷰로 만나본다.
세바스티앙 프로퀴르가 이집트 현장에서 사용된 검출기를 소개하고 있다.
CEA는 어떻게 피라미드 연구에 관심을 갖게 되었나요?
세바스티앙 프로퀴르: 이야기가 좀 길지만, 타이밍은 완벽했습니다! 2012년 우리는 미국 제퍼슨 연구소(Jefferson Lab)를 위한 프로젝트를 진행 중이었습니다. 목표는 그들의 입자 가속기에 차세대 검출기인 '마이크로메가스(Micromegas)'를 장착하는 것이었죠. 마이크로메가스는 1996년 사클레이(Saclay)에서 발명된, 말그대로 '사클레이산' 장치입니다. 이 검출기가 하전 입자, 특히 뮤온을 제대로 감지하는지 확인하기 위한 시험 벤치를 개발해야 했습니다. 그 과정에서 평소보다 훨씬 적은 전자 장비로 작동할 수 있도록 검출기를 개조했고, 이 기술을 입자물리학 외의 분야, 예컨대 물체나 건축물을 '엑스레이 촬영'하는 데도 쓸 수 있는지 시험해 보고 싶었습니다.
멀리 갈 필요도 없었습니다. 약 4개월간 CEA 사클레이 연구센터 내 물탱크 옆에 뮤온 망원경을 설치해 실험을 진행했고, 성능은 완벽하게 검증됐습니다. 건축 구조의 세부 디테일은 물론 내부의 저수 공간과 수위 변화까지 확인할 수 있었습니다. 이 실험이 2015년 9월에 끝났는데, 바로 다음 달인 10월에 스캔피라미드 프로젝트 출범 소식을 접했습니다. 그날 저녁 미션 공동 책임자 메디 타우비(Mehdi Tayoubi)에게 즉시 이메일을 보냈습니다. 이후 그와 이집트 측 공동 책임자인 한니 헬랄(Hany Helal) 교수와 함께 고대유물부에 제출할 계획서를 작성했고, 결국 이 모험에 함께하게 된 것입니다!
나고야 대학팀이 굽은 피라미드에 설치한 유제판(emulsion plate)과 귀하의 기술은 무엇이 다릅니까?
필름 카메라와 디지털 카메라의 관계에 비유할 수 있습니다. 유제판은 일종의 '실버 뮤오그래피(silver muography)'라고 할 수 있죠. 정밀도가 놀라울 정도로 뛰어난 것이 장점입니다. 필름 입자가 극도로 미세해 뮤온의 위치를 몇 마이크로미터 오차 이내로 재구성할 수 있습니다. 반면 단점은 유제가 비교적 깨약하다는 점입니다. 그래서 일본 연구팀은 기념물 내부에 설치한 것입니다. 25℃ 이상에서는 필름이 손상되며 습도와 기압에도 민감합니다. 또한 필름 사진처럼 현상을 위해 몇 주에 달하는 긴 대기 시간이 필요합니다. 결과적으로 시간 정보를 얻을 수 없습니다. 모든 뮤온 데이터가 4주간 통합되고, 궤적을 재구성할 때는 뮤온이 언제 통과했는지 알 방법이 없습니다. 이미지는 말하자면 정지된 것입니다.
5월 말에는 세 번째 뮤온 센서 기술인 KEK의 신틸레이터(scintillator)가 미션에 합류한다고 들었습니다. 이 시스템과 비교하면 어떻게 됩니까?
사진에 비유하면, 우리는 디지털 카메라처럼 실시간으로 이미지를 얻는 셈입니다. 신틸레이터의 장점은 기술이 오래되고 검증됐으며 매우 견고하다는 점입니다. 화산 관측에 활용되는 등 혹독한 환경에서도 운용 가능하고, 우리의 망원경보다 넓은 면적을 커버할 수도 있습니다. 하지만 가장 큰 단점은 해상도입니다. 사진 비유를 빌리면 신틸레이터는 수백 픽셀 수준인 반면, 우리의 망원경은 수 메가픽셀급으로 작동합니다.
일본측 검출기와 같은 구조물을 '스캔'하게 되나요?
일본의 검출기는 충분한 공간이 있는 피라미드 내부에 설치됩니다. 이런 배치의 장점은 머리 위를 관측할 수 있다는 것입니다. 뮤온 플럭스는 최대한 수직으로 떨어지기 때문에, 약 30~40도 각도로 비스듬히 바라보는 외부보다 잠재적으로 더 많은 입자를 포획할 수 있습니다. 반면 외부에서는 특정 영역에서 더 강한 감도를 얻을 수 있습니다. 예를 들어 일본 연구팀이 머리 위 3m 크기의 공동을 찾으려면 100m 두께의 암석 속에서 밀도 차이를 측정해야 합니다. 반면 외부에서 능선 끝을 조준하면 10~20m 두께의 암석만 통과한 뮤온을 포획할 수 있습니다. 3m 크기의 공동을 찾는다면 감도가 내부보다 10~20배 더 좋아집니다. 게다가 일본팀은 자신들 위쪽 90도 원뿔 범위만 엑스레이 촬영하므로 능선 부분은 관측하기 어렵습니다. 따라서 우리 기술들은 서로 매우 상호 보완적이라 할 수 있습니다!
