[지식보관소] 핵융합 과정에서 발생한 중성미자의 quantum mixing에 의해 암흑물질이 생겼다는 이론

 

 

얼마 전 하버드대학교 입자물리학 연구소 소속의 과학자들은

우주에 존재하는 암흑물질이

중성미자의 퀀텀 믹싱과 연관이 있을 수 있다는 사실을 발견했으며

이 내용을 피지컬 리뷰 X 저널에 게재하였습니다.

 

과학 다큐나 과학지 등을 읽다 보면

‘유령입자’라는 단어를 종종 접하게 됩니다.

 

물리학에서 말하는 유령입자는

중성미자인데

중성미자가 전하량을 가지지 않는 입자여서

붙여진 별명이죠.

 

전하량이 없다는 것은

우리와 거의 상호작용하지 않을 뿐 아니라

바로 옆에 있어도

인지하는 것이 거의 불가능하다는 의미입니다.

 

우리가 살아가면서

인지하고 경험하고 상호작용할 수 있는 것들에 거의 99.99999% 이상이

전자기력 덕분이죠.

 

우리가 땅에 발을 딛고 있는 것도

의자에 앉아 있을 수 있는 것도

의식을 가지고 생각을 할 수 있는 것도

교통사고가 나면 죽거나 다치는 것도

모두 다 전자기력에 의한 상호작용입니다.

 

우리 몸에 있는 원자의 바깥에 전자가 있고

이 전자가 가진 일명 전하량이라는 것 덕분에

우리 몸이 땅을 뚫고 지구로 떨어지지 않는 것이죠.

 

반대로 말하면 전하량이 없는 물질은

우리 몸을 뚫고, 지구도 뚫고, 지나간다고 해도

전혀 이상할 게 없습니다.

 

실제로 중성미자는

태양으로부터 날아와서

지금도 초당 수천억 개가 우리의 몸은 물론

지구까지 뚫고 지나가고 있지만

전자기력과 상호작용을 하지 않기 때문에

우리가 인지를 할 수도 없고, 사실상 영향을 끼치지 않습니다.

 

이런 특성 때문에

중성미자를 유령입자라고 부르죠.

 

상호작용조차 하지 않는데

우리가 중성미자 존재를 알 수가 있는 것은

중성미자가 질량과 스핀이 존재하기 때문에

핵력과는 상호작용을 할 수가 있고

이런 특성으로 아주 가끔

원자핵과 상호작용하는 모습을 관찰할 수가 있으며

이를 통해 최근 들어서

중성미자에 대한 연구가 활발하게 일어나고 있는 것입니다.

 

얼마 전 하버드대학교 입자물리학 연구소 소속의 과학자들은

우주에 존재하는 암흑물질이

중성미자의 퀀텀 믹싱과 연관이 있을 수 있다는 사실을 발견했으며

이 내용을 피지컬 리뷰 X 저널에 게재하였습니다.

 

중성미자는

이름 그대로 질량이 매우 작아서

과거에는 질량이 없다라고 여겨져 왔습니다.

 

물론 현재도 중성미자의 정확한 질량은 알 수가 없지만

전자보다도 훨씬 더 작은 것은 확실하죠.

 

그런데 여기에서 더 문제가

중성미자의 질량이 퀀텀 믹싱으로 변한다는 문제입니다.

 

중성미자는 전자, 뮤온, 타우 중성미자로 나뉘는데

우주를 날아오거나 대기를 지나는 와중에

다른 형태로 변한다는 것이죠.

 

매우 이상한 일이지만

양자역학에서는 이 현상이

중성미자가 관측 전까지는

동시에 여러 질량 상태로 중첩해서 존재하는

양자역학의 특성 때문인 것으로 추정하고 있습니다.

 

과거에는 중성미자의 질량을 알 수가 없었지만

최근에는 아이스 큐브 같은 대규모 검출기를 통해서

중성미자의 질량을 확인해 보려는 시도가 진행이 되고 있는데요.

 

연구팀은 이러한 데이터들을 통해서

중성미자가 생각보다는 무거울 수 있다는 것과

상대적으로 전자 중성미자보다 무거운 뮤온과 타우 중성미자가

예상보다 우주에 많을지도 모른다는 근거들을 발견했습니다.

 

암흑물질은 우리가 관측한 것보다

실제 은하의 질량은 무거웠기 때문에

우리가 관측하지 못하는 질량이

우주에 존재한다고 생각해서 만들어낸 개념인데

만약에 중성미자가 생각보다 무겁고

뮤온이나 타우 중성미자의 비율이 과거 예상치보다 높다면

생각보다 은하의 질량이 높았던 이유가

중성미자 때문이었을 가능성도 존재한다는 것입니다.

 

재미있는 것은 별이 에너지를 만들어내는 핵융합 과정에서

광자와 중성미자가 만들어집니다.

그리고 핵융합을 할 때 질량의 아주 일부분이 사라지고

이 사라진 질량은 E=MC^2의 공식으로 에너지로 변환되죠.

 

그리고 이 에너지는

광자나 열에너지와 중성미자의 형태를 가진다고 알고 있는데

어쩌면 핵융합의 과정에서 사라진 질량 중에

중성미자 질량의 비중이 높을지도 모른다는 것이며

그렇다면 138억 년 동안

핵융합으로 인해서 사라진 질량이

어마어마할 것으로 추정되기 때문에

중성미자의 질량이 우주에서 관측할 정도의 스케일을 지녔을지도 모릅니다.

 

물론 아직은 연구팀의 추정에 의하면

중성미자의 질량을 보다 정확히 알기 위해서는

적어도 2030년까지의 데이터를 수집해야 할 것으로 보인다고 합니다.

 

아이스 큐브가 아무리 대규모 시설이라고 한들

중성미자는 전자기력과 상호작용을 하지 않아서

중성미자의 질량을 유추할 정도의 데이터가 모일 때까지는

상당한 시간이 필요하기 때문이죠.

 

그래도 눈에 보이지도 않고

지구까지 뚫고 지나가는 동안

거의 아무런 영향조차 미치지를 않아서

존재 자체도 알기 힘들었던 중성미자를

이 만큼이나 알아가고 있다는 것이 놀랍기는 합니다.

그럼 이만.