우주 암흑물질 규명 ‘열쇠’ 찾았다

英 과학자들, 중성미자 질량 최대치 계산 성공
수소원자 10억분의 1보다 작아

중성미자의 질량이 0.28eV 이내로 계산됨에 따라 우주의 비밀을 밝히는 연구에 중대한 진전이 이뤄졌다. 사진은 세계 최대의 중성미자 관측시설로 알려진 일본 기후 현의 ‘슈퍼가미오칸데’ 내부. 1996년 깊이 1000m의 폐광 속에 건설된 이 시설은 지름 39.3m, 높이 41.4m의 수조에 5만 t의 물을 담고 있으며 지름 50cm의 고성능 광전자 증폭관 1만1200개를 달고 있다. 질량이 0인 것으로 알려졌던 중성미자에 질량이 있다는 사실도 이 시설을 통해 밝혀냈다. 동아일보 자료 사진

우주의 비밀을 푸는 데 중요한 요소인 중성미자(中性微子·뉴트리노)의 가장 정확한 질량을 과학자들이 계산해 냈다고 영국 BBC가 22일 보도했다.

BBC에 따르면 영국 유니버시티 칼리지런던(UCL)의 박사과정 학생 숀 토머스 씨는 지도교수 오퍼 라하프 씨 등과 함께 연구해 저술한 박사논문에서 중성미자 1개의 질량은 0.28전자볼트(eV) 이내라고 밝혔다. 이는 수소 원자 1개 질량의 10억분의 1보다 작은 값이다.

토머스 씨 연구팀은 이를 위해 우주의 은하계 수백만 개를 탐사 관측하는 슬론 전천 탐사(Sloan Digital Sky Survey) 자료를 분석했다. 이들은 중성미자가 빛에 육박하는 속도로 우주를 이동하면서 마치 파도가 해안가 모래더미를 평평하게 만드는 것처럼, 무리지어 있는 은하계를 평평하게 하는 정도를 분석해 중성미자 질량의 최대치를 추산했다고 밝혔다.

작은 중성자라는 뜻의 중성미자는 우주를 이루는 기본 입자다. 핵융합이나 핵분열 반응 때 발생하지만 현재 우주에 가득한 대부분의 중성미자는 우주대폭발(빅뱅) 때 생겼다. 1초당 태양에서 나오는 중성미자 700억∼800억 개가 사람 몸을 거의 빛의 속도로 지나가지만 어떤 반응이나 영향은 거의 없다. 다른 물질과 거의 상호작용을 하지 않고 통과해 버리기 때문에 유령입자로도 불린다.

중성미자의 질량이 의미가 있는 까닭은 우주 전체 질량 중 상당량을 차지한다고 알려진 암흑물질의 정체를 푸는 데 기여하기 때문이다. 우주의 모든 별을 합쳐도 우주 전체 질량의 채 10%가 되지 않는다. 나머지 90%는 미지의 입자들로 구성된 암흑물질이 차지하는데, 중성미자는 주요 구성요소로 알려져 있다. 따라서 중성미자의 질량은 암흑물질의 수수께끼를 푸는 열쇠가 되고, 나아가 우주 전체의 질량 및 나이도 새롭게 추정할 수 있을 것으로 보고 있다.

민동용 기자 mindy@donga.com