우주를 떠도는 유령 중성미자
유령입자 중성미자는 무엇일까
우주에 가장 많은 것은 광자이고 그 다음 많은 입자가 뉴트리노(중성미자)이다. 중성미자는 말 그대로 전기를 띠지 않은(중성) 미세한 입자(미자)이다. 중성미자는 어떤 물질과도 거의 반응하지 않고 물질을 통과하여 ‘유령입자’로 불린다. 중량이 거의 없는 중성미자(뉴트리노. neutrino)는 매 초 마다 수조 개가 사람의 몸을 통과한다. 엄지손가락 크기에 1초에 1000억 개씩의 중성미자가 지나갈 수 있다. 중성미자는 입자물리학 ‘표준모형’을 구성하는 17개 기본입자 가운데 3개를 차지한다.
간혹 유령입자가 목격된다
중성미자는 우주가 탄생한 직후에도 엄청난 양이 만들어졌고, 태양이나 초신성에서 생성되기도 한다. 태양의 핵융합 과정에서 나오는 중성미자는 전자 뉴트리노가 3분의 1 정도이고 나머지 3분의 2는 지구로 오는 도중에 뮤온이나 타우 뉴트리노로 바뀐다.
2020년 <네이처>는 중성미자를 검출한 중성미자 검출기(Borexino)를 표지 사진에 실었다. 태양과 같은 별은 수소가 헬륨으로 바뀌는 핵융합 반응을 통해 열에너지를 만들어낸다. 핵융합 반응은 수소 원자끼리 융합해 헬륨으로 바뀔 때 양성자와 양성자가 연쇄 반응을 일으키는 ‘PP 연쇄반응’과 탄소와 질소, 산소가 촉매 역할을 하면서 헬륨으로 융합되는 ‘CNO 순환’ 핵융합 반응이 있다. 태양과 크기가 비슷한 항성이 만들어내는 에너지의 99%는 PP연쇄반응으로 만들어진다. 그러나 CNO 순환 핵융합의 경우 이를 통해 만들어지는 중성미자는 하루에 도달하는 배경신호가 몇 차례에 불과하기 때문에 관측하기가 매우 어렵다. 태양의 핵융합 반응으로 만들어진 중성미자(neutrino)가 2020년 통계적으로 유의미한 수준에서 감지하는 데 성공했다. CNO 순환 핵융합에 대한 최초의 직접 실험 증거로 CNO 순환 핵융합이 태양에서 생성되는 에너지의 약 1%를 기여하고 있다는 사실을 기존에 예측한대로 입증한 것이다.
중성미자(뉴트리노. neutrino)를 감지하는 유일한 방법은 중성미자가 무언가와 부딪히기를 기다리는 것이다. 중성미자는 물질과 상호작용을 잘하지 않고 통과해 버린다. 그래서 중성미자를 유령입자(ghost particle)라고 부른다. 중성미자는 아주 드물게 원자핵과 충돌해서 입자들을 쏟아낸다. 이 충돌로 중성미자의 속도가 줄어들면서 섬광을 일으킨다. 엄청나게 짧은 충돌 순간을 탐지하려면 엄청난 규모의 장치가 필요하다. 남극의 중성미자관측소(Ice Cube Neutrino Observatory)는 5천 개 이상의 광자 탐지기를 줄지어 연결해서 남극 얼음 1㎦에 꽂아놓고 중성미자를 탐지하고 있다. 중성미자가 검출되면 도착 시간과 밝기를 근거로 계산해서 어디서 왔는지 계산한다. 우주에서 날아오는 중성미자 가운데 매년 약 10여개가 발견된다. 지금까지 발견된 우주 중성미자 중에서 어디서 왔는지 밝혀진 것은 하나뿐이다. 2021년 두 번째로 중성미자의 출처가 밝혀졌다. 7억 5천만 광년 떨어진 돌고래자리(Delphinus constellation)에 있는 초거대 블랙홀이다. 발견된 우주 중성미자는 ‘조석 파괴 사건’(Tidal disruption event, TDE) 폭발로 탄생한 것이다. 조석파괴사건은 초거대 블랙홀이 강력한 중력의 힘으로 가까이 있는 별을 둘로 쪼개 집어삼키는 현상을 말한다. 조석파괴사건은 지금까지 발견된 것은 100번도 안 된다. 돌고래자리 조석 파괴 사건은 2019년에 발견되어 ‘AT2019dsg’라고 이름이 붙여졌다. 별이 초거대 블랙홀 근처를 공전할 때, 강렬한 중력이 별의 모양을 왜곡시킨다. 그러다가 별이 너무 가까이 초거대 블랙홀에 접근하면, 초거대 블랙홀의 중력이 별을 쪼개서 별의 절반은 블랙홀 원반 안으로 끌려 들어간다. 나머지는 긴 꼬리를 남기면서 블랙홀 바깥으로 흘러나간다. 이 무시무시한 우주에서의 쇼는 몇 달 동안 지속된다. 이 같은 과정에서 중성미자가 발생한다는 사실이 이번에 밝혀졌다. 이는 천체의 충돌이 거대한 우주 입자 가속기 역할을 한다는 것을 암시한다.
https://www.nature.com/articles/s41550-020-01295-8
이번 발견이 관심을 끄는 것은 조석 파괴 사건이 중성미자뿐만 아니라 우주선의 원천이 될 수 있다는 점이다. 블랙홀이 이 중성미자의 분출에 어떻게 동력을 공급하는지는 아직 정확히 모른다. 다만 우주의 중성미자가 추적되면서, 우주 중성미자를 설명하는 근거로 제시되었다. 중성미자뿐 아니라, 우주선의 기원은 아직은 확실하게 밝혀지지 않았다.
https://blog.naver.com/ksk0508live/222269167665
