[뉴스스페이스=이은주 기자] MIT와 텍사스대 알링턴 캠퍼스 연구진이 세계 최초의 ‘뉴트리노 레이저’ 실현 방안을 2025년 9월, 국제학술지 Physical Review Letters에 발표했다.

Physical Review Letters, MIT News, Science News, Phys.org, Physics Magazine에 따르면, 두 대학의 융합팀은 방사성 루비듐-83(Rb-83) 원자를 극저온에서 ‘보스-아인슈타인 응축체(Bose-Einstein Condensate, BEC)’로 만드는 양자 집단현상을 활용해 기존 82일의 반감기를 불과 ‘2.5분’ 수준으로 단축시켜 레이저와 유사한 뉴트리노 빔을 실시간으로 발사할 수 있다고 밝혔다.

양자 초방사 효과…평균 5만배 빨라진 붕괴

기존의 방사성 붕괴는 원자들이 개별적으로 무작위로 일어났지만, BEC 상태의 100만 Rb-83 원자는 동일한 양자상태를 공유하면서 집단적으로 동시에 붕괴한다. 이로 인해 뉴트리노 생성 속도는 레이저 방식의 빛 방출처럼 초방사(superradiance)로 폭증, 한 번에 수만 배 빠른 붕괴와 빔 형성이 가능해진다는 이론적 계산이 나왔다.

실제로 루비듐-83 원자의 반감기는 82일(약 1억1640분)에서 평균 2.5분(약 98.75% 감소)으로 단축, 같은 양의 방사성 물질로 압도적으로 많은 뉴트리노를 생성할 수 있게 된다.

응용 분야…지구 관통 통신·라디오아이소토프 생산

레이저형 뉴트리노 빔은 전통적 가속기 방식과 달리 ‘양자적 상관관계’를 가지며, 지구 내부를 거의 변형없이 관통해 원거리·지하시설 등과 양자 통신이 가능하다. 초신성 등 극한 환경의 집단 양자현상 연구, 의료 현장 최첨단 라디오아이소토프 생산에도 혁신적 응용이 기대된다.

하버드대 중성미자 물리학자 카를로스 아르구엘레스는 “이론적으론 기존 빔 생산 방식과 격이 다른 신물리·응용 실험이 가능할 것”이라며 “실험 성공 시 중성미자 탐지효율도 최고로 높일 수 있다”고 평가했다.

기술적 난제…극저온 방사성 관리·집단성 유지

실제 구현을 위해선 극저온 환경에서 방사성 원자를 안전하게 다루는 고난도 실험기술과, 집단 양자상태(응축체) 유지, 붕괴 속도 조절 등 다수의 기술적 장벽을 넘어야 한다.

현재 루비듐-87의 안정적인 응축체 생성 기술을 응용해 83Rb 응축체를 만드는 ‘공동 냉각법(sympathetic cooling)’이 제시됐으며, 수년 내 1세트 규모의 실험 테이블 탑 시연이 목표로 제시됐다. 연구진은 향후 붕괴시 크립톤 동위원소 생성 검출, 외부 감지효율 향상 등 구체적 모델을 공개할 계획이다.

2025년 발표된 세계 최초의 뉴트리노 레이저 이론은 기존 입자물리 패러다임을 바꾸는 양자 집단 붕괴 기술로 평가받고 있으며, 실험 실현 시 ‘투명한 입자’로 불리는 뉴트리노를 이용한 미래 통신과 우주물리학 연구, 의료 혁신의 길이 열릴 것으로 기대된다.