Characterisation of the Bedretto Underground Site for Fundamental Physics Experiments

지구상에서 가장 조용한 곳 (그리고 우리가 그것을 필요로 하는 이유)

북적이는 록 콘서트 한복판에서 단 한 번의 속삭임을 들으려고 노력하는 모습을 상상해 보십시오. 그것은 과학자들이 우주의 가장 파악하기 어려운 비밀들을 연구하려고 할 때 직면하는 상황과 본질적으로 같습니다. 지표면의 혼란스러움에서 멀리 떨어진 깊은 지하에는, 거의 일어나지 않는 일들을 찾는 실험들이 있습니다. 예를 들어 우주의 대부분을 구성하고 있을지도 모르는 '암흑 물질' 입자나, 우리가 왜 존재하는지를 설명해 줄 수 있는 희귀한 핵 붕괴 같은 것들 말입니다. 이러한 유령 같은 사건들을 포착하기 위해, 과학자들은 가능한 한 조용한 실험실을 필요로 합니다.

왜 지표면은 그렇게 시끄러운 걸까요? 첫째, 하늘에서는 고에너지 입자인 우주선(cosmic rays)이 끊임없이 비처럼 쏟아져 내리며 모든 것에 충돌하여 섬세한 신호를 잡아먹는 배경 '정적(static)'을 만들어냅니다. 둘째, 지면 자체는 지나가는 자동차, 기차, 그리고 해파(ocean wave)에 의해 진동합니다. 셋째, 우리 주변의 암석들은 우라늄이나 라돈 같은 원소들로부터 나오는 희미하고 보이지 않는 방사능으로 자연적으로 빛을 발합니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 깊은 지하 실험실을 건설합니다. 머리 위의 거대한 암석 더미는 거대한 방패 역할을 하여 우주의 비를 차단하고 진동을 억제합니다. 더 깊이 내려갈수록 더 조용해집니다. 하지만 완벽한 장소—충분히 깊고, 충분히 조용하며, 접근하기 쉬운 곳—를 찾는 것은 마치 건초더미에서 바늘 찾기와 같습니다. 여기서 새로운 경쟁자가 등장합니다.

궁극의 지하 은신처를 찾아서

연구팀은 과학의 새로운 잠재적 고향이 될 베드레토(Bedretto) 터널에 대한 대대적인 "건강 검진"을 막 마쳤습니다. 이 터널을 단순한 땅속 구멍이 아니라, 인류가 만든 가장 민감한 기구들을 위한 잠재적인 "조용한 방"이라고 생각하십시오. 연구팀은 알고 싶었습니다. 이곳이 우주의 속삭임을 듣기에 충분히 조용한가?

그들은 터널 약 3.5km 지점인 TM3500이라는 곳에 자리를 잡았는데, 이곳은 1,400미터 이상의 단단한 산 아래에 위치해 있습니다. 이 부지를 테스트하기 위해 그들은 우주의 탐정처럼 행동하며, 벽을 때리는 입자의 비부터 지구 자체의 웅성거림까지 모든 것을 측정했습니다.

우주의 비 체크
먼저, 그들은 "우주 뮤온 비(cosmic muon rain)"를 살펴보았습니다. 뮤온은 거의 모든 것을 뚫고 지나갈 수 있는 우주에서 온 작고 빠른 총알과 같습니다. 지표면에서 뮤온은 끊임없이 우리를 타격합니다. 연구팀은 이 숫자를 세기 위해 플라스틱 패널로 만든 망원경을 설치했습니다. 결과는 놀라웠습니다. 베드레토 부지에서 뮤온의 비는 지표면과 비교했을 때 100만 배나 억제되었습니다. 이는 마치 허리케인에서 잔잔한 미풍으로 바뀐 것과 같습니다. 이 정도의 정숙함은 베드레토를 세계 최고의 지하 실험실들과 같은 반열에 올려놓으며, 우주 소음으로부터 보호받아야 하는 실험들의 주요 후보지로 만듭니다.

암석의 방사성 빛
다음으로, 그들은 벽 자체를 점검했습니다. 암석은 완벽하게 조용하지 않습니다. 암석은 감마선과 중성자를 방출하는 천연 방사성 원소를 포함하고 있으며, 이는 민감한 검출기에게 가짜 신호처럼 보일 수 있습니다. 연구팀은 터널 벽의 화강암 샘질을 채취하여 그들의 "방사성 지문"을 측정했습니다. 그들은 선택한 지점의 암석이 실제로 매우 깨끗하며, 터널의 다른 곳에서 발견되는 암석보다 방사능이 약 35% 적다는 것을 발견했습니다. 또한 공기를 측정한 결과, 라돈 가스(암석에서 새어 나오는 방사성 가스)가 일부 존재하지만, 이는 마치 냄새나는 방을 환기하기 위해 창문을 여는 것처럼 신선한 공기를 주입함으로써 쉽게 관리할 수 있다는 것을 확인했습니다.

진동과 자기적 웅성거림
마지막으로, 그들은 보이지 않는 소음을 찾기 위해 지면과 공기의 소리에 귀를 기울였습니다. 그들은 자기장(나침반을 안내하는 보이지 않는 힘)과 지진 진동(지면의 흔들림)을 측정했습니다. 그들은 자기 소음이 매우 낮다는 것을 발견했는데, 다만 특정 "웅(hum)" 소리가 16.7Hz에서 나타났습니다. 이 웅 소리는 근처 푸르카(Furka) 철도 터널을 달리는 전기 열차에 의해 발생하는 것으로 밝혀졌습니다. 열차가 밤에 멈추면 이 웅 소리도 사라집니다. 이는 과학자들에게 만약 실험실을 짓는다면, 저 특정 주파수에 대한 차폐막을 구축해야 한다는 점을 알려줍니다.

지진 측정은 훨씬 더 인상적이었습니다. 베드레토의 지면은 너무나 정지해 있어서, 지구가 도달할 수 있는 이론적 한계치인 "뉴 로우 노이즈 모델(New Low Noise Model)"보다 훨씬 더 조용합니다. 사실, 이 진동은 충돌하는 블랙홀에 의해 발생하는 시공간의 물결을 듣도록 설계된 기계인 차세대 중력파 검출기가 요구하는 수준보다 2단계(two orders of magnitude)나 더 뛰어납니다.

이것이 미래에 의미하는 바
논문은 베드레토 터널이 기초 물리학을 위한 "매우 경쟁력 있는" 위치라고 결 결론짓습니다. 이곳은 단순히 깊기만 한 것이 아니라, 수직 갱도를 파야 하는 다른 실험실들과 달리 수평 터널이 있어 무거운 장비를 옮기기 쉽고 접근성이 좋습니다. 연구팀은 벽에 콘크리트 층을 추가하여 방사선과 중성자를 더 효과적으로 차단하는 등의 표준적인 건설 과정을 거친다면, 이곳이 유럽에서 가장 깊고 조용한 실험실 중 하나가 될 수 있다고 제안합니다.

그들은 아직 실험실을 건설했다고 주장하는 것이 아니라, 부지가 준비되었음을 증명한 것입니다. 측정 결과, 배경 소음은 암흑 물질, 중성 미립자 이중 베타 붕괴, 그리고 중력파를 찾는 최첨단 실험들을 지원하기에 충분히 낮았습니다. 본질적으로, 그들은 우주의 비밀이 마침내 들릴 수 있을 만큼 커질 수 있는 완벽하고 조용한 동굴을 찾아낸 것입니다.