중성미자 실험을 통해 우주에서 뭔가 빠져있던 것이 밝혀졌다.

거대한 전자 계수기가 물리학에서 가장 미약한 것으로 알려진 입자를 간접적으로 밝혀내어 암흑 물질 존재에 대한 증거를 추가했습니다.

이것은, 우주 전체를 채우고 있으며 그 구조를 결정하는 입자인 중성미자의 질량을 측정하고자하는 국제적인 노력의 첫 번째 결과물이죠.

우리는 지금까지 중성미자의 질량을 측정할 수 없었습니다.

 

독일에 기반을 둔 칼스루에 삼중수소 중성미자(Karlsruhe Tritium Neutrino, KATRIN) 실험 결과에 따르면, 중성미자는 전자 질량의 0.0002%를 넘지 않는다고 하는데요.

그 수치가 너무나 낮아서 우리 우주의 모든 중성미자를 합해도 우주의 질량을 설명할 수 없었습니다.

(중성미자는 우주에서 광자 다음으로 많은 임자입니다.)

그리고 이러한 사실은 암흑 물질의 존재에 대한 믿음을 더욱 견고하게 만들어주었죠.

 

 

카트린(KATRIN)은 기본적으로 방사성 형태의 수소인 삼중 수소 샘플에서 터져나오는 초고에너지의 전자를 계산하기 위해 설계된 매우 거대한 기계입니다.

중성미자는 질량이 거의 없고, 상호 작용하지도 않은채 감지기를 건너 띄는 경향이 있기 때문에, 이를 직접 측정하는 것은 거의 불가능합니다.

그래서 카트린은 먼저 가장 활발한 전자들의 수를 센 뒤, 그렇게 측정된 전자들을 이용해 중성미자의 질량을 역추론하게 되죠.

이러한 방법으로 중성미자의 질량을 측정해본 결과, 중성미자의 질량이 1.1 전자 볼트(eV)를 넘지 않는 것으로 확인되었습니다.

 

전자 볼트(eV)는 우주에서 가장 작은 것들에 대해서 이야기 할 때 과학자들이 많이 사용하는 단위인데요.

예를 들어, 다른 입자들에게 질량을 부여해주는 힉스 보손(Higgs boson)은 1250억 eV의 질량을 가지고 있습니다.

그리고 원자의 중심에 있는 입자인 양자는 약 9억 3천 8백만 eV의 질량을 가지고 있죠.

전자는 이에 훨씬 못미치는 51만 eV 질량을 가지고 있습니다.

이번의 실험 결과는 중성미자의 질량이 믿을 수 없을 정도로 작다는 것을 우리에게 확인시켜 주었습니다.

사실 중성미자가 질량을 가지고 있다라는 생각은 상당히 혁명적인 생각이었습니다.

아원자의 세계를 설명하는 주요 물리학 이론인 표준 모델(Standard Model)에서도 한때 중성미자는 질량이 전혀 없었다고 주장하고 있었기 때문이죠.

 

1980년대까지 러시아와 미국의 과학자들은 중성미자의 질량을 측정하려고 했지만, 결과는 늘 부정확했습니다.

그러던 어느날, 러시아의 과학자들이 중성미자의 질량을 30eV로 측정하게 되었는데요.

이 수치는 중성미자가 우주의 중력 구조와 누락된 질량 구조를 설명하기에 아주 안성맞춤인 수치처럼 보였습니다.

하지만 결국 이 수치는 틀린 것으로 판명되었죠.

그 이후 참으로 오랜시간이 걸렸습니다.

사실 30eV라는 측정 값은 물론 틀리긴 했지만, 상당히 흥미로운 점이 있습니다.

왜냐하면 이 수치가 사실이었다면, 이론상 우주가 엄청난 중력으로 인해 무너져 내렸을 것이기 때문이죠.

이처럼 중성미자는 우주에서 아주 큰 역할을 하고 있으며, 아마도 우주의 거대한 규모의 구조를 형성하고 있을 겁니다.

이 희미한 입자들은 그들의 중력으로 다른 모든 것들을 끌어당기고, 다른 모든 물질로부터 에니저를 얻고 또 빌려줍니다.

그러나 너무 작기 때문에 이들이 우주에서 정확히 어떠한 역할을 하는지 알기가 더욱 복잡하고 어려운거죠.

 

어쨋든 이번에 나온 1.1eV라는 수치는 매우 흥미로운 수치임에는 틀림없습니다.

이는 실험으로 도출된 최초의 중성미자의 질량 수치이자, 누락된 우주의 나머지 구조를 스스로 설명할 수 있을 만큼 질량이 높지 않다는 점 때문이죠.

그래서 암흑 물질이 필요합니다. 이것만이 누락된 우주의 구조를 설명할 수 있죠.

 

비록 우주에는 광자 다음으로 중성미자가 많이 존재한다고 하지만, 이러한 수치로는 우주의 구조를 도저히 설명할 수 없습니다.

따라서 독일의 큰 기계장치에서 나온 이 작은 숫자는, 우주에는 물리학이 아직 이해하지 못하는 요소가 존재하고 있다는 증거라고 과학자들은 생각하고 있습니다.

 

 

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