뉴트리노 거동, 우주 물질-반물질 비대칭 설명

빅뱅 이후 우주가 왜 아무것도 아닌 무언가를 생성하게 됐을까.

과학자들은 이 물음에 대한 실마리를 찾아왔다. 그 중 하나인 중성미자라는 ‘유령같은’ 아 원자 입자는 빅뱅, 태양, 별 등에서 나와 온 우주에 넘치며 매 초 수십억 개 이상이 우리 몸을 관통한다.

15일(현지시각) 뉴욕타임즈에 따르면 최근 일본에서 실시한 실험에서 중성미자(neutrinos)의 거동에 대한 비정상적인 현상을 발견했다. 그 결과는 우주 첫 순간에 창조와 소멸 사이에서 이 입자들이 물질과 반물질 쌍 사이의 불균형을 좁힐 수 있었음을 시사했다.

결과적으로, 동일한 양의 물질과 반물질로 시작된 우주는 별, 블랙홀, 바다와 물질로 가득 차게 됐다.

일본 교토대학의 아수코 이치카와(Atsuko K. Ichikawa)가 이끄는 T2K 협력 12개국 500명의 물리학자로 구성된 국제연구팀은 자연계에서 중성미자와 반중성미자(antineutrinos) 사이의 불일치, CP 위반(CP violation)을 측정했다고 밝혔다.

스위스 제네바대 물리학자이자 T2K 대변인 페데리코 산체스(Federico Sánchez)는“이것은 우리가 중성미자에서 CP위반에 대한 징후를 처음으로 얻은 것”이라고 말했다.

그러나 산체스 박사는 이 불일치가 러시아의 물리학자이자 반체제운동가로 1975년 노벨 평화상을 수상한 안드레이 사카로프(Andrei Sakharov) 박사가 1967년 물질의 기원과 그에 따른 문제의 해결책으로 제시한 몇 가지 조건 중 하나일 뿐이라고 지적했다.

모든 조건이 아직 충족되지 않았다. 산체스 박사는“이것은 재료 중 하나 일 뿐이다. 물질과 반물질 문제를 해결하기 위해 얼마나 많은 불일치가 필요한지 아무도 모른다. 하지만 분명히 이것은 올바른 방향”이라고 말했다.

영국 더럼 대학 실비아 파스콜리(Silvia Pascoli)와 미국 일리노이주 바타비아(Batavia)에 있는 페르미 국립 가속기연구소(Fermi National Accelerator Laboratory) 제시카 터너(Jessica Turner)는 네이처(Nature) 논평에서 이 측정 결과에 대해 “여지없이 매우 흥분되는 결과”라며 “우리 우주에서 물질 반물질 비대칭의 기원에 대한 첫 징후일 수 있다” 밝혔다.

일본 팀은 결과의 통계적 유의성을 ‘3시그마’로 추정했는데 99.7%확률(불량률 0.3%)에 해당한다. 물리학 표준은 5시그마이며 이는 99.9999%확률(불량률 0.0001%)을 의미한다. 힉스 보손(Higgs boson) 입자 CERN LHC실험 데이터는 99.99994%(5시그마) 수준이었다.

우주

완벽한 대칭의 우주에서 우리는 존재하지 않았을 수도 있다.

아인슈타인의 상대성 이론과 양자 이론에 따르면, 빅뱅에서 우주를 움직이는 똑같은 수의 입자와 그 반대, 즉 반입자가 만들어졌어야 했다. 그러나 물질과 반물질이 만나면 서로 상쇄되며 순수한 에너지를 생산한다. 우주는 아무 것도 존재할 수 없다는 결론이 나온다.

그런 일은 일어나지 않았다. 우주의 원시 양성자와 전자 중 처음 몇 초 동안 10억 개 정도의 입자 만이 살아 남았다. 그것들이 별, 행성 및 물질로 채우기에 충분했다.

1967년 사카로프 박사는 물질과 반물질이 상호 파괴에서 어떻게 살아남았는지에 대한 해법을 제시했다. 한 가지 조건은 아인슈타인 등 물리학자의 추정처럼 자연 법칙이 대칭적이 지 않을 수 있다는 것이다. 완전히 대칭적인 우주에서 모든 입자가 전하를 양에서 음으로 또는 그 반대로 변경한 경우와 마찬가지로 거울처럼 마치 모든 좌표가 왼쪽에서 오른쪽으로 바뀌면 물리학은 동일하게 작동해야 한다.

이러한 조건을 위반하면 전하 및 패리티 불균형(charge and parity invariance, CP 불균형) 즉, 물질과 반물질이 다르게 거동하게 된다. 1957년 컬럼비아대 청다오 리(Tsung-Dao Lee)와 첸닝 양(Chen Ning Yang), IAS(Institute for Advanced Study)는 노벨 물리학상을 수상했다. 그들은 특정 “약한 상호작용”이 패리티 규칙을 위반할 수 있다고 제안했으며 컬럼비아의 첸성우(Chien-Shiung Wu)는 실험으로 이론을 확인했다.

불일치

1964 년에 제임스 크로닌(James Cronin)과 발 피치(Val Fitch)가 이끄는 그룹은 롱 아일랜드의 브룩헤이븐 국립연구소(Brookhaven National Laboratory)에서 일하면서 카온(kaon)이라고 불리는 일부 입자가 전하와 패리티 조건을 모두 위반하는 물질과 반물질의 차이를 규명했다. 이들도 노벨상을 수상했다.

물질과 반물질 사이의 불일치에 대한 힌트는 이후 CERN과 다른 곳에서의 실험에서 B중간자(B mesons, B 메손)라는 다른 입자의 거동에서 발견됐다.

터너 박사는“카온과 B메손은 양자와 중성자를 구성하는 입자와 같은 종류의 입자인 쿼크로 만들어진다. 그러나 지금까지 오늘날 우주의 존재를 설명하기 위해 쿼크 부분에 10억 배 정도의 펙터는 충분하지 않다. 중성미자는 그것을 바꿀 수 있다. “

많은 이론가들은 CP위반을 발견하고 중성미자에서 그 속성을 연구하는 것이 위대한 우주의 신비를 이해하는 데 중요 할 수 있다고 믿는다.

일본 히다시 이케노산 아래 3,000피트 이상에 위치한 중성미자 관측소(The Super-Kamiokande Neutrino Observatory). credit : 도쿄대(Institute for Cosmic Ray Research).

중성미자

중성미자를 발견한 미국 얼바인 캘리포니아대 프레더릭 레인즈(Frederick Reines)는 “인간이 상상한 것 중 가장 작은 양의 현실”이라고 썼다.

중성미자는 이론물리학자 볼프강 파울리 (Wolfgang Pauli)가 방사성 붕괴에서 전자를 방출할 때 소실되는 소량의 에너지를 설명하기 위해 그 존재를 가정한 1930년에 무대에 등장했다. 이탈리아 물리학자 엔리코 페르미(Enrico Fermi)는 전하가 부족하다고 언급하면서 ‘중립적인 것’이라고 중성미자로 이름을 지었다. 1955년 레인즈(Reines) 박사는 뉴트리노가 원자로에서 나오는 것을 발견, 노벨상을 수상했다.

중성미자는 전자기 방사선을 구성하는 광자에 이어 두 번째로 우주에서 가장 풍부한 아원자 입자이며, 일반 물질을 통과할 수 있는 것으로 유명하다. 그들은 너무 가벼워서 아직 신뢰할 무게가 없다.

1936년 물리학자들은 뮤온(muon)이라고 불리는 더 무거운 전자 버전을 발견했다. 1962년에 발견된 뮤온 뉴트리노(muon neutrino)라고 불리는 자체의 뉴트리노를 갖는다. 타우라고 불리는 전자의 또 다른 더 큰 변형은 1970년대 스탠포드 선형가속기 센터에서 실험한 마틴 펄(Martin Perl)과 협력 연구진들에 의해 발견됐다. 펄과 레인즈는 1995년 노벨상을 공동 수상했다.

물리학자들은 모든 중성미자가 세 가지 버전의 혼합이며, 각 버전은 서로 다른 유형의 전자와 쌍을 이룬다는 것을 배웠다. 더 무거운 뮤온과 여전히 무거운 타우 두 가지가 어떻게 조화를 이루는 지 실제로는 모른다.

또 중성미자가 불가능한 궤도를 따라 여행할 때, 그들은 ‘개가 고양이로 변하는 것처럼’서로 다른 형태 사이에서 진동한다고 밝힌 레인즈 박사는 다시 한번 노벨상을 수상했다.

태양의 중심에서 유래한 전자 중성미자는 지구에 닿을 때 뮤온 중성미자 또는 타우 중성미자로 변할 수 있다. 대칭 법칙에 따라 반뉴트리노는 동일한 방식으로 작동해야한다. 그러나 그들은 분명히 그렇지 않다.

실험

T2K(Tokai to Kamioka) 실험은 물질과 반물질의 불일치를 찾기 위해 이러한 중성미자, 또는 뮤온 중성미자와 뮤온 반중성미자 구간을 측정하기 위해 설계됐다. 2014년부터 일본 동부 해안의 토카이 J-PARC 연구소에서 두 입자의 광선이 생성돼 180마일 거리 일본 서부의 산인 카미오카로 보냈다. 거기서 그들은 5만 톤의 매우 순수한 물을 포함하는 거대한 지하 탱크(Super-Kamiokande) 중성미자 탐지기에 의해 잡혔다. 탱크 속 1만3,000개의 포토 멀티 플라이어 튜브는 중성미자가 탱크를 통과할 때 짧은 빛의 섬광을 감지한다.

앞서 1987년 2월 23일에 근처 은하계 대 마젤란운에서 초신성 폭발로 11개의 중성미자가 감지된 역사가 있다. T2K 실험을 수행하는 과학자들은 뮤온 뉴트리노와 뮤온 반뉴트리노를 보내는 방법을 번갈아 가며 토카이를 출발 시점을 측정한 다음 카미오카에 도착한 후 다시 측정해 규칙적으로 전자 중성미자로 변한 정도를 확인했다. 자연과 중성미자가 동일한 대칭 규칙에 따라 재생되는 경우 두 빔에 동일한 양의 변화가 나타난다.

수요일에 저자들은 통계적으로 밀도가 높은 논문의 초록에서 “우리의 결과는 렙톤에서의 CP 위반을 제시…중성미자 빔을 사용해 중성미자 진동에서 물질 반물질 비대칭에 대한 민감한 검출을 가능하게 한다”고 결론 지었다.

팀 대변인 산체스(Sánchez) 박사는 실험에서 중성미자가 CP 대칭을 위반한다는 것을 분명히 보여주었다고 말했다.

세계적으로도 더 많은 실험이 진행되고 있다. 그중에는 2025년 미국과 CERN이 공동으로 수행하게 될 지하 심층 뉴트리노 실험(DUNE)이 있다. 중성미자는 일리노이 주 페르미랩(Fermilab)에서 오래된 금광에 위치한 스텐포드 지하 연구시설의 거대한 지하 탐지기로 800마일로 발사돼 진동을 측정한다.

CERN의 윌킨슨(Wilkinson) 박사는“T2K / SuperK 결과는 미래의 실험에 대한 필요성을 상쇄하지는 않는다. 오히려 우리가 올바른 길을 가고 있으며 새로운 프로젝트에서 얻을 수 있는 결정적인 결과를 기대한다”며 “네이처 논문에서 우리에게 알려주는 것은 기존 실험이 이전에 생각했던 것보다 더 민감하다는 것”이라고 말했다.

그는 10년 전 일을 언급했다. CERN의 100억 달러 규모 LHC(Large Hadron Collider) 실험은 다른 입자들에 질량을 부여하는 ‘양자 유령’ 힉스 보손(Higgs boson)을 규명, 오랫동안 찾았던 데이터에 대한 힌트를 제시했다.

*Abe, K., Akutsu, R., Ali, A. et al. Constraint on the matter–antimatter symmetry-violating phase in neutrino oscillations. Nature580, 339–344 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0