천문학자들이 지중해 심해에 건설중인 거대한 센서 네트워크를 활용해 역대 최고 에너지의 우주 '유령 입자'를 검출하는 데 성공했다. 해당 연구에 대해서는 CNN, 뉴욕타임스, 네이터닷컴 등 다수 외신이 심층적으로 다루었다.

이 입자는 공식 명칭 '중성미자(Nutiino)'로, 이전에 검출된 수백 개의 중성미자보다 30배나 높은 에너지를 지닌 것으로 확인됐다.

우주에서 날아오는 이 작고 강렬한 입자들은 물질과 상호작용없이 통과하는 특성 때문에 '유령 입자'로 불린다. 질량이 거의 없는 중성미자는 별, 행성, 은하 전체를 포함한 극한 환경을 통과하면도 구조를 유지한다. 

전 세계 360명 이상의 과학자들이 참여한 KM3NeT 협력단의 중성미자 분석 결과는 12일 과학 저널 '네이처(Nature)'에 게재됐다.

공동 저자인 로사 코닐리오네 KM3NeT 부대변인 겸 이탈리아 국립핵물리연구소 연구원은 "중성미자는 특별한 우주 메신저로, 가장 강력한 현상과 관련된 메커니즘에 대한 독특한 정보를 제공하며 우주의 가장 먼 곳까지 탐험할 수 있게 해 준다"고 밝혔다.

이번에 검출된 기록적인 중성미자는 KM3-230213A로 명명됐으며 2200억 전자볼트의 에너지를 가지고 있었다. 연구진에 따르면 이 엄청난 에너지는 스위스 제네바 인근 유럽입자물리연구소(CERN)의 거대 강입자 충돌기(LHC)가 입자를 빛의 속도에 가깝게 가속시키는 능력보다 약 3만 배나 강력한 것이다.

전하를 띠지 않는 중성미자는 고에너지 양성자가 우주를 창조한 빅뱅에서 남은 복사선의 광자와 결합할 때 생성될 수 있다. 이 입자들은 우주를 거의 빛의 속도로 이동한다. KM3NeT 공동 저자인 브래드 K. 깁슨 박사는 이메일을 통해 CNN에 "이 단일 중성미자의 에너지는 우라늄 원자 하나, 또는 열 개, 심지어 백만 개의 원자를 쪼개서 방출되는 에너지와 맞먹는다고 생각하면 된다"며 "이 작은 중성미자 하나가 10억 개의 우라늄 원자를 쪼개서 방출되는 에너지만큼의 에너지를 가지고 있었다. 핵분열로 생성되는 에너지와 비교하면 정말 엄청난 숫자"라고 설명했다.

이 입자는 우주에서 그렇게 높은 에너지의 중성미자가 생성될 수 있다는 최초의 증거를 제공한다. 연구진은 이 중성미자가 우리 은하 너머에서 왔다고 믿지만, 정확한 기원 지점은 아직 밝혀내지 못했다. 초거대 블랙홀, 감마선 폭발, 초신성 잔해와 같은 극한 환경에서 중성미자가 생성되어 우주를 가로질러 날아왔을 가능성이 제기된다.

공동 저자인 파스칼 코일 KM3NeT 대변인 겸 프랑스 국립과학연구센터-마르세유 입자물리센터 연구원은 이번 획기적인 발견은 중성미자 천문학의 새로운 장을 열었을 뿐만 아니라 우주를 관측할 새로운 창을 열었다고 말했다.

코일은 "KM3NeT은 검출된 중성미자가 극한의 천체 물리학적 현상에서 비롯될 수 있는 에너지와 감도의 범위를 탐색하기 시작했다"고 덧붙였다.

중성미자, 얼음이나 물과 상호작용

중성미자는 주변 환경과 상호작용을 잘 하지 않기 때문에 검출하기 어렵지만, 물이나 얼음과는 상호작용한다. 중성미자가 검출기와 직접 상호작용하면 얼음에 박히거나 물에 떠 있는 인근 디지털 광학 센서 네트워크가 감지할 수 있는 푸르스름한 빛을 방출한다.

예를 들어 남극의 아이스큐브 중성미자 관측소는 남극 얼음에 박힌 5000개 이상의 센서 그리드를 포함한다. 2011년부터 운영된 이 검출기는 수백 개의 중성미자를 발견했으며, 과학자들은 그 중 일부를 블레이저나 활동 은하의 밝은 핵과 같이 우주적 근원으로 그 일부를 추적할 수 있었다.

국제 연구팀은 2010년대 초 심해에서 중성미자를 포착할 수 있는 1 입방킬로미터 중성미자 망원경(KM3NeT)으로 알려진 검출기 네트워크 아이디어를 구상했고, 2015년에 네트워크 설치가 시작됐다.

KM3NeT은 2023년 2월 13일, 이 입자가 두 검출기 중 하나를 밝혔을 때 기록적인 검출에 성공했다. 두 개의 검출기 중 하나인 ARCA(심해 우주선 연구)는 수심 3450m에 위치하고, ORCA(심해 우주선 진동 연구)는 지중해 해저 수심 2450m에 위치한다.

이탈리아 카포 파세로 인근 시칠리아 해안에 있는 ARCA 검출기는 고에너지 중성미자를 포착하도록 설계됐고, 프랑스 남동부 툴롱 근처에 있는 ORCA는 저에너지 중성미자 탐색에 전념한다.

해저에 고정된 센서 그리드를 포함하는 KM3NeT은 아직 건설 중이지만, 고에너지 중성미자를 포착하기에 충분한 검출기가 배치됐다고 연구진은 밝혔다.

ARCA 검출기는 계획된 구성 요소의 10%만 작동 중이었을 때 입자가 망원경 전체를 거의 수평으로 통과하며 활성 센서의 3분의 1 이상에서 신호를 발생시켰다. 검출기는 하전 입자에 의해 생성된 2만8000개 이상의 빛 광자를 기록했다.

미스터리하고 강력한 기원

이 중성미자 내의 에너지가 일상적인 물체에 대한 이해를 위해 전환된다면 0.04줄, 즉 1m 높이에서 떨어진 탁구공의 에너지에 해당한다고 공동 저자인 아르트 헤이보어 KM3NeT 물리학 코디네이터 겸 네덜란드 국립 아원자 물리학 연구소(NIKHEF) 및 암스테르담 대학 교수는 말했다.

그 양은 작은 LED 전구를 약 1초 동안 켤 수 있는 정도라고 그는 말했다.

헤이보어는 이메일을 통해 "일상적인 물체에 대해서는 큰 에너지가 아니지만, 일상 세계와의 그런 유추가 가능하다는 사실 자체가 놀랍다. 이 모든 에너지는 단일 기본 입자 안에 담겨 있었다"고 설명했다.

연구진에 따르면 입자 규모에서 중성미자는 가시광선 광자 에너지의 약 10억 배에서 1억 배에 해당하는 초고에너지로 간주됐다.

지구에서 중성미자를 검출하면 연구원들은 근원지를 추적할 수 있다. 이 입자들이 어디에서 오는지 이해하는 것은 오랫동안 광선이 지구 대기에 충돌할 때 중성미자의 주요 원천으로 여겨져 온 미스터리한 광선인 우주선(Cosmic Ray)의 기원에 대해 더 많은 것을 밝힐 수 있다.

우주에서 가장 강력한 입자인 우주선(cosmic ray)은 우주에서 지구로 쏟아진다. 이 광선은 대부분 양성자나 원자핵으로 구성되어 있으며, 광선을 생성하는 것이 거대 강입자 충돌기의 능력을 능가하는 매우 강력한 입자 가속기이기 때문에 우주 전역으로 방출된다. 중성미자는 우주선이 이디에서 오는지, 무엇이 우주 전역으로 발사하는 지 천문학자들에게 알려줄 수 있다.

연구진은 감마선 폭발이나 138억년 전 빅뱅에서 남은 복사인 우주 마이크로파 배경의 광자와 우주선 상호 작용과 같이 강력한 무엇인가가 이번에 새로 발견된 중성미자를 방출했다고 추정한다.

연구 기간 동안 연구진은 중성미자를 생성했을 가능성이 있는 12개의 잠재적 블레이저를 확인하기도 했다. 블레이저는 검출기에서 수집한 데이터와 감마선, X선, 전파 망원경의 교차 참조 데이터를 기반으로 입자가 이동한 것으로 추정되는 방향과 일치한다. 하지만 더 많은 연구가 필요하다.