‘우주기원 열쇠’ 중성미자 질량 밝혀졌다

태양을 비롯한 별의 중심부에서 핵융합 반응이 일어날 때 발생하는 중성미자(뉴트리노)의 질량이 밝혀졌다. 우주 탄생의 비밀과 별의 내부 활동, 우주 구성 물질의 실체를 밝히는 열쇠를 제공하는 획기적인 성과로 평가된다.

입자물리학의 표준모형. 원자를 구성하는 6개의 쿼크 입자(붉은색 그룹) 6종류와 가벼운 6개의 경입자(초록색 그룹)는 세상 만물의 가장 작은 구성단위다. 초록색 그룹의 아래 세 입자는 전자·뮤온·타우 중성미자로 이번에 처음으로 질량이 밝혀졌다. 보라색 그룹은 각 입자간 힘을 나타내며, 가운데의 힉스 입자는 각 입자의 질량을 결정한다.
물리학연구그룹 ‘슈퍼B’ 홈페이지

영국 유니버시티칼리지 런던(UCL)의 오퍼 라하프 교수 연구팀은 22일(현지시간) 물리학 저널 ‘피지컬 리뷰 레터스’에 게재한 논문에서 “중성미자의 질량은 0.28전자볼트(eV) 이내”라고 밝혔다. 이는 중성미자의 질량이 원자 가운데 가장 가벼운 수소원자의 10억분의1에 불과하다는 뜻이다.

라하프 교수 연구팀은 직접적인 실험 대신 우주의 3차원 지도를 그리는 국제 공동연구 ‘슬론 전천 탐사’의 결과물을 이용해 중성미자의 질량을 쟀다. 우주 지도를 그린 뒤 은하계 행성들의 분포와 상호 역학관계를 분석해 중성미자의 질량을 추정해낸 것이다. 라하프 교수는 “2002년 이론적인 중성미자 질량 최대치가 1.8eV 이내라는 분석을 내놓은 바 있다.”면서 “이번 연구로 중성미자의 정확한 질량을 측정한 것은 놀라운 일”이라고 설명했다.

현대 물리학에서 정설로 받아들여지고 있는 입자물리학 표준모형에 따르면 만물을 구성하는 기본 입자는 원자 핵을 만드는 6개의 무거운 중입자 ‘쿼크’와 6개의 가벼운 경입자 ‘랩턴’으로 구성돼 있다. 경입자 중 전자·뮤온·타우 등 세 종류의 중성미자는 한때 질량이 없는 것으로 알려질 정도로 작고 가볍다. 엄지손가락 하나를 들고 있으면 1초 동안 태양에서 발생한 중성미자 수백억개가 손톱 부분을 통과할 정도로 많은 양이 존재하지만 지나는 물체와 상호작용을 전혀 일으키지 않아 ‘유령입자’로 불려 왔다.



물리학자들이 중성미자의 실체에 대해 큰 관심을 갖는 것은 중성미자가 우주 전체의 25% 정도를 차지하고 있는 암흑물질의 주요 구성요소인 데다 우주 탄생과 별 활동의 핵심 부산물이기 때문이다. 물리학자들은 중성미자의 정확한 역할을 알면 빅뱅(대폭발) 직후 별과 은하가 어떻게 생성됐는지는 물론 태양을 비롯한 별 내부에서 어떤 일이 벌어지고 있는지를 알 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이 같은 중요성 때문에 1930년 물리학자 볼프강 파울리가 중성미자의 존재를 이론적으로 입증한 뒤 관련 연구에서만 8명의 노벨물리학상 수상자가 나오기도 했다.

박건형기자