뮤온(Muon)입자는 우주선의 하나이다. 뮤온입자가 태양에서 대기와 부닥쳐 붕괴되어 지상에 분산된다고 알려진 것은 제2세대 Lepton으로 1936년 S.H. Neddermeyer 와 C.D. Anderson에 의해 세상에 알려졌다. 뮤온입자의 질량은 105.658.366.68(38)MeV/C, 평균수명은 2.197.03(21) 10S, -e전하로 스핀은 2분의1이다. 1960년대부터 화산을 비롯해 지구의 내부를 x-선 영상과 같이 투시에 응용한 입자이다. 뮤온입자에 의한 지층, 화산내부, 산체내부를 비롯해 지구의 지형. 지질구조를 파악하는데 주로 사용하여 왔다. 기본원리는 뮤온에 의해 발광을 하는 광 화이바를 이용해 그 광은 광 화이바의 끝에 전달된다. 그러므로 광이 신치레터에 닿으면 청색으로 변하는 것을 이용하여 신치레터를 격자로 배치하면 내용물이 무엇인지 그 구조는 어떻게 됐는지 알 수 있다. 그러므로 화산 폭발하는 활화산의 내부를 본다는 것은 대단히 위험한 일이지만 하늘에서 오는 뮤온입자로 명확히 알 수 있으므로 화산 폭발시간 예측 등 자연재해에 활용 할 수 있다. 최근에는 일본 후쿠시마원전 사고로 원자로안의 핵물질이 어떤 상태인지를 촬영한 사진이 공개된 것만 보더라도 뮤온입자는 우리들에게 더 많은 지구시스템 정보를 알려주고 있다. 이러한 기본원리는 마이너스 뮤온전자의 약 200배의 질량을 갖고 있으며 물질 중에서 플러스 전기를 가진 원자핵과 속전상태를 형성하게 된다. 이 같은 상태는 뮤온 닉크 원자라 부르며 마이너스 뮤온의 속전궤도반경은 전자의 200분의1까지 접근하며, 주위의 궤도전자로 보면 원자핵의 전하는 단일 전하일 뿐 차단 혹은 마이너스 뮤온을 포획하지 않고 있다. 그러므로 상공에서 지상으로 내려오는 소립자가 핵연료에 닿으면 그 방향을 바꾸는 현상을 이용해 핵이 어디에 있는지 MPPC(Multi Pixel Photon Counter)에서 영상을 볼 수 있기 때문이다.

앞서 기술한 것과 같이 뮤온은 우주선 입자로 우주에 보편적으로 존재하는 소립자(素粒子)의 하나이며 물체 속 100m까지 통과하는 능력을 갖고 있다. 뮤온은 항상 우주에서 같은 방향으로 같은 량의 뮤온입자가 지구궤도에 내려오면서 당연히 인체에는 1분당 200개 이상의 뮤온입자가 신체를 통과하고 있으나 인체에는 아직까지 영향이 없다고 알려져 있다. 도시개발의 기본인 지하철, 통신구, 하수도터널, 각종 지하시설 안에서 상부의 상태를 명확히 알 수 없어 예상치 못한 도로 붕괴를 비롯해 인위적 재해발생으로 인명 재산상의 피해가 있어 온 것은 도시에 개미굴처럼 엉켜있는 도시기반시설 위의 지층구조를 뮤온입자가 진단하므로 붕괴를 사전 방지할 수 있는 분야로도 확대되고 있어 ‘뮤입자계측기’ 개발에 초점을 맞추고 있는 현실이다.

지구가 탄생해 46억년 동안 물리 화학적 변화를 거듭해왔다는 사실은 지사학적 연대표에 잘 정리되어 있기 때문에 그것을 표준으로 하여 문제를 해결하고 있지만 조금 더 시간을 거슬러 올라가면 눈으로 보고 정리한 것이 ‘70년대에 들어 방사능 동위원소를 이용한 지층의 연대측정방법’이 도입된 후 과거의 지층, 암석 등의 연대가 명확해지면서 그동안 지사학적 연대 수정된 것 같이 뮤온입자 계측기를 활용하므로 자연재해의 예방 과 예측이 명확히 가능해지는 새로운 시대를 맞이할 것으로 예측된다는 것은 매우 고무적이라 아니할 수 없다. 2014년에 들어서 환태평양조산대에 심각한 판 운동으로 강력한 지진이 발생할 우려를 하고 있다. 하지만 이에 대한 대책은 손 놓고 있는데, 뮤온 측정기개발을 서두른다면 지구인들의 인명과 재산을 지킬 수 있을 것이 예측되므로, 태양으로 부터 동일한 방향 같은 양의 입자가 통과하고 있기 때문에 이를 이용해 지구시스템의 예측 기술로 활용한다면 미래는 밝은 지구촌이 될 것이다. 이에 지구시스템 엔지이어링 옵션에서는 뮤온입자를 새로운 테마로 한 노벨상이 주어질 것으로 예상되는 중요한 입자이기 때문에 옵션으로 힘주어 추천한다.

이학박사 최무웅 건국대학교 명예교수, 땅물빛바람연구소 대표, 스포츠월드 객원편집위원(mwchoi@konkuk.ac.kr)

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