이탈리아와 중국 과학자들이 최근 진행한 암흑물질 실험에서 중성미자 구름을 처음으로 포착해 학계의 이목을 집중시키고 있다. 

우주에서 가장 풍부한 입자인 중성미자는 전하가 없고 질량이 거의 없는 아원자 입자로, 물질과 거의 상호 작용하지 않는 특징을 지닌다. 또한 감지 되지 않고 모든 물체를 통과하는 기이한 특성 때문에 '유령 입자'로 불리기도 한다. 

참고로 원자를 구성하는 입자 중에서 가장 가벼운 전자조차도 중성미자보다 600만배 더 무겁다. 양성자는 전자보다 약 1836배 더 무겁고, 중성자는 전자보다 약 1839배 더 무겁다.

최근 이탈리아와 중국에서 각각 독립적으로 운영되는 암흑물질 검출 실험인 제논(XENON)과 판다X(PandaX) 연구팀이 암흑물질 주변에서 중성미자 구름을 처음으로 포착했다고 발표했다고 인터레스팅엔지니어링이 전했다.

제논 실험에 참가한 페이 가이오는 "이것은 암흑 물질 실험을 통해 천체물리적 중성미자를 측정한 최초의 사례"라고 말했다. 

중성미자-핵 탄성 산란 통해 검출

중성미자는 일반적으로 중성미자-핵 탄성 산란(CEvNS) 과정을 통해 검출된다. 이는 중성미자가 양성자나 전자와 상호 작용하는 것이 아니라 원자핵 전체와 상호 작용하는 과정이다. 

연구를 진행하는 동안 연구진은 2년 동안의 실험 데이터를 검토했다. 

XENON과 PandaX 연구팀은 액체 제논 검출기를 사용하여 암흑물질 입자 또는 중성미자가 제논 원자와 상호 작용하는 방식을 연구하는 과정에서 태양 핵에서 발생하는 붕소-8의 방사성 베타 붕괴에서 나오는 CEvNS 신호를 확인했다. 

XENON 연구팀은 11개의 CEvNS 신호를, PandaX 연구팀은 75개의 신호를 보고했으며, 두 실험 모두 통계적 신뢰도는 2.64 시그마(PandaX)와 2.73 시그마(XENON)로 유사했다.

듀크 대학교의 물리학 교수인 케이트 숄버그는 "저를 포함한 대부분의 사람들이 이 공동연구가 중성미자 안개를 측정했다고 확신한다"고 말했다. 

이번 연구 결과는 암흑물질 주변에 밀집된 중성미자 구름의 존재를 시사하며, 이는 암흑물질 탐색에 새로운 과제를 제기한다. 중성미자는 검출이 어렵기 때문에 우주에 풍부하게 존재하는 중성미자는 암흑물질 검출 시 배경 잡음을 생성하여 암흑물질 신호를 구별하기 어렵게 만들 수 있다.

전문가 "중성미자 구름 위협 과장되었을 가능성…추가 연구 필요"

그러나 멜버른 대학교의 암흑물질 입자 물리학 전문가인 엘리사베타 바르베리오는 "중성미자 구름으로 인한 '존재적 위협'은 과장되었을 가능성이 있다"며 "이러한 배경 잡음이 암흑물질 연구의 진전을 막기 전에 해야 할 일이 많다"고 밝혔다. 그는 이번 실험에는 참가하지 않았다. 

이번 연구 결과는 암흑물질과 중성미자 사이의 상호 작용을 이해하는 데 중요한 단서를 제공하며, 향후 암흑물질 탐색 연구에 영향을 미칠 것으로 예상된다.

이 연구는 미국 물리학회에서 발행하는 학술지 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 게재됐다.