중력파(gravitational waves) 시공간 파동은 중성미자(neutrino) 입자의 물질과 반물질 상전이로 생명이 빅뱅에서 기인했다는 이론을 입증하는 증거를 포함할 수 있다.

현대 우주론의 빅뱅 이론(Big Bang)에 따르면, 물질은 같은 양의 반물질(anti-matter)과 함께 만들어졌다. 이런 설명에서는 물질과 반물질은 일대일로 만나서 완전히 사라질 수 있다고 말한다. 그러나 우리의 존재는 이 이론과 모순된다. 완전한 소멸을 극복하기 위해, 우주는 소량의 반물질을 물질과 불균형을 일으키는 물질로 바꿔 놓았을 것이다.

필요한 불균형은 10억분의 1 수준에 불과하지만 불균형이 언제 어떻게 만들어 졌는지는 여전히 미스터리다.

미국 버클리 캘리포니아대(University of California, UC버클리)의 박사후 연구원이자 로렌스 버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory) 연구원인 논문 공동저자 제프 드로어(Jeff Dror)는 “탄생한 지 약 백만년 시점에서 돌아보면 우주는 불투명하다. 이것은 왜 우리가 여기에 있는가 라는 근본적인 질문을 제기한다”고 말했다.

물질과 반물질은 반대 전하를 갖기 때문에 전기적 중립이 아닌 한 서로 작용할 수 없다. 중성미자는 우리가 아는 유일한 전기적 중성물질 입자이며 이 개편 작업을 수행하는 데 가장 유력한 후보자다. 우주의 입자-반입자의 비대칭성을 이해하기 위하여 제시된 열 경입자생성(Thermal leptogenesis) 연구에서 지지하는 이론은 우주가 상 전이(phase transition)를 거쳐 중성미자가 물질과 반물질에 개입할 수 있다는 것이다.

논문 공동저자 무라야마 히토시(Mhitama Murayama) UC버클리 물리학과 교수는 “상 전이는 끓는 물에서 증기로, 또는 냉각수에서 얼음으로 냉각하는 것과 같다. 물질의 거동은 임계 온도라 불리는 특정 온도에서 변화한다. 특정 금속이 저온으로 냉각되면 상 전이에 의해 전기 저항이 완전히 상실된다. 암 진단 자기공명영상(MRI)에도 활용되는 이 기술은 자기부상 기차를 띄워 현기증을 유발하지 않고 시간당 300마일로 달릴 수 있도록한다. 초전도체와 마찬가지로 초기 상 전이가 우주 공동 현상이라는 매우 얇은 자기장 튜브를 만들었을지도 모른다”고 설명한다. 그는 로렌스 버클리 국립연구소 선임교수이자 도쿄대 카블리 연구소(Kavli Institute) 수석 연구원이기도 하다.

드로어와 무라야마 연구팀은 일본, 미국 및 캐나다 출신 연구원들로 구성됐다. 이들은 끈이론이 말하는 우주적 끈(cosmic strings)에 입각해 우주는 스스로를 단순화, 중력파라고 불리는 시공간의 작은 흔들림을 초래한다고 설명한다. 이는 거의 모든 임계 온도에 대해 LISA, BBO(유럽 우주국) 또는 DECIGO(일본 우주 탐사 기관)와 같은 미래 우주 공간 관측소에서 탐지 될 수 있다.

논문 공동 저자 TRIUMF 박사후 연구원 그래이엄 화이트(Graham White)는 “최근 중력파 연구가 발견한 것은, 우주 시작부터 중력에 투명하기 때문에 중력파의 최근 발견은 시간을 더 되돌아 볼 수 있는 새로운 기회를 열어 준다. 우주가 오늘날 우주에서 가장 뜨거운 부분보다 수조 ~수첮노 배 이상 뜨거웠던 시점에서 중성미자는 생존을 보장하는 데 필요한 방식으로 행동했을 가능성이 높다”고 밝혔다.

일본 도쿄 중력파 검출기’KAGRA’ 실험을 수행하는 도쿄대 우주광선연구소 박사후 연구원 인 타카시 히라마츠(Takashi Hiramatsu)는 “우주적 끈(Cosmic strings)은 별과 은하 형성 질량 밀도의 작은 변화를 만드는 방법으로 인기가 있었지만 최근 데이터는 이 아이디어를 배제하고 있다. 우리 연구는 다른 이유에서 그 착안을 활용했다”고 말했다.

관련 연구(Testing Seesaw and Leptogenesis with Gravitational Waves)는 2020년 1월 28일 ‘Physical Review Letters’저널 온라인에 편집자 제안으로 출판됐다.