태양 내부에서 만들어진 희귀 유령 입자가 처음으로 감지되었다.

 

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과학자들은 태양에서 나오는 아주 희귀한 유령 입자를 발견했습니다.

이 입자는 태양의 내부에서 독특한 융합 과정에 의해 만들어질 것으로 예측되었던 입자인데요.

이 입자의 이름은 "CNO 중성미자(CNO neutrinos)"라고 합니다.

과학자들은 이번의 발견을 계기로, 태양에 동력을 공급하는 두 가지의 과정에 대해서 완전히 이해할 수 있게 되었다고 밝혔습니다.

 

 

태양의 내부에는 두 가지 유형의 핵융합 반응이 일어납니다.

첫 번째는 잘 알려져 있는 양성자-양성자 연쇄반응(proton–proton chain reaction)입니다.

이러한 연쇄 반응은 양성자끼리 융합하는 과정에서 수소를 헬륨으로 변환합니다.

과학자들은 이 연쇄 반응이 태양 에너지의 99%를 만들어내고 있을 것으로 예측하고 있죠.

proton–proton chain reaction

CNO cycle

두 번째는 CNO 순환(CNO cycle)이라고 하는 일반적이지 않은 6단계의 과정을 통해 발생하게 되는데요.

태양의 수소가 탄소, 질소 및 산소를 이용해 CNO 순환 과정을 거쳐 헬륭으로 융합됩니다.

이 과정은 태양 에너지의 1% 정도를 만들어내고 있을 것으로 생각되고 있었습니다.

양성자-양성자 연쇄 반응과 CNO 순환은 그 과정에서 질량이 거의 없고 일반적인 물질을 통과할 수 있는 서로 다른 종류의 중성미자를 만들어 내는데요.

예전부터 과학자들은 양성자-양성자 연쇄 반응에서 만들어진 중성미자를 감지해서 연구해오고 있었지만, CNO 순환 과정에서 만들어지는 CNO 중성미자는 아직까지 발견하지 못했습니다.

즉, CNO 중성미자는 가설의 영역서만 존재하는 입자라고 할 수 있죠.

그런데 얼마전에 이탈리아에 있는 보렉시노 검출기(Borexino detector)가 CNO 중성미자를 처음으로 감지했습니다.

Borexino detector

보렉시노 검출기는 중성미자의 상호 작용을 연구하기 위해 만들어진 검출기인데요.

이 검출기는 약 18미터 높이의 탱크로 구성되어 있으며, 중성미자가 들어오면 전자와 반응하는 280톤의 아주 특이한 액체가 들어있습니다.(scintillating liquid)

또한 탱크 내부에는 마치 고치처럼 생긴 아주 민감한 차폐기가 잔뜩 들어 있는데요.

이러한 장치들은 다양한 우주선(Cosmic ray)과 자연방사선을 걸러내어 CNO 중성미자와 같은 아주 희귀한 신호를 감지할 수 있게 해줍니다.

어쨋든 중성미자가 이 액체속으로 들어오게 되면 전자와 상호 작용하게 되어 밝은 빛을 만들어 냅니다.

그런데 이번에 관측된 빛은 기존의 빛보다 훨씬 더 높은 밝기와 에너지를 보여주었습니다.

이것은 기존에 감지되었던 일반적인 중성미자가 아닌, CNO 순환 과정에서 만들어진 CNO 중성미자일 가능성이 매우 높다는 것을 의미하는 것이었죠.

물론 이 중성미자가 CNO 중성미자가 아닐 가능성은 있습니다. 그런데 그 확률은 350만분의 1에 불과합니다.

즉, 99% 이상의 확률로, 사실상 발견이 확정되었다고 말해도 무리는 없습니다.

이번에 관측된 CNO 중성미자는 태양과 같은 항성이 어떻게 작동하는지에 대한 우리의 이해를 더욱 높혀줄 수 있습니다.

또한 탄소, 질소 및 산소와 같은 수소보다 무거운 금속성 원소들이 태양에 얼마나 많이 있는지를 밝히는데 도움이 될 수도 있죠.

특히 CNO 중성미자의 비율을 연구하면 태양의 금속 함량을 높게 예측하는 모델이 맞는지, 반대로 낮게 예측하는 모델이 맞는지에 대한 오랜 퍼즐을 밝혀내는 것도 가능해 집니다.

(※ 천문학 분야에서 ‘금속’은 수소와 헬륨보다 무거운 모든 원소를 일컫는 말입니다.)

우리는 아직도 태양이 얼마나 많은 금속성을 함유하고 있는지 정확하게 결론을 내리지 못하고 있죠.

그리고 태양보다 무거운 항성들에게서는 CNO 순환 과정이 더욱 많이 일어나고 있을 것으로 예측되고 있는데요.

즉, 우주에 존재하는 오래된 항성들의 나이를 보다 더 정확하게 측정할 수 있게 된다는 애기입니다.

CNO 중성미자의 발견은 오랜 시간의 걸쳐 이루어낸 아주 획기적인 결과물이었습니다.

또한 1930년대에 만들어진 CNO 중성미자에 대한 가설이 드디어 입증된 순간이기도 하죠.

이번의 발견을 통해 과학자들은 미래의 세대에게 아주 중요한 물리학 업적 하나를 남겨주게 되었습니다.

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https://youtu.be/fPy-2S4Z9rA?si=C8ex4P64nHtnt-i7

 

 

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