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- 최근 몇 년 동안 중성미자 관측소와 입자 검출기들은 설명하기 어려운 신호 반복적으로 감지
- ANITA 실험에서 감지된 두 신호는 0.6EeV(엑사전자볼트)라는 엄청난 에너지 갖고 있어
- 표준 모형의 어떤 입자도 이러한 에너지로 지구를 약 5,700km 통과하고 통과할 수 없다
- "이 사건들은 여전히 ​​변칙적인 현상이다"

남극 대륙에서 감지된 극한 신호의 미스터리
지하에서 발견된 고에너지 입자 흔적, 표준 모형과 부합하지 않아

미해결 미스터리:
남극 대륙에서 감지된 두 가지 신호가 물리학자들을 계속해서 곤혹스럽게 하고 있다. 극한의 고에너지 입자에 의해 생성된 이 전파 펄스는 표준 물리 모형에 부합하지 않는다. 실제로 존재해서는 안 되는 신호다. 0.6EeV(엑사전자볼트:1엑사=10^18)의 각도와 극한 에너지는 알려진 입자나 과정으로는 설명할 수 없다. 두 가지 이상 신호를 다른 두 입자 검출기와 비교했지만, 현재까지도 아무런 해답을 찾지 못했다. 

▲ 남극 대륙의 ANITA 실험은 우주 입자와 그 붕괴 생성물을 찾고 있다. 하지만 두 가지 신호는 여전히 미스터리로 남아 있다. © Stephanie Wissel / Penn State, CC-by-nc-nd 4.0

최근 몇 년 동안 중성미자 관측소와 기타 입자 검출기들은 설명하기 어려운 신호를 반복적으로 감지해 왔다. 이러한 수수께끼 같은 신호에는 몇 년 전 ANITA(남극 임펄스 과도 안테나) 실험의 측정 풍선에서 감지된 두 가지 이상 신호가 포함된다. 이 검출기는 중성미자와 기타 고에너지 우주 입자가 지구 대기 또는 지하와 상호작용하여 생성되는 전파 펄스를 포착한다.

▲ 선택 및 검색 절차 후 남은 이벤트다. 상단 패널은 카메라에서 트리거된 픽셀을 보여주며, 가장 빠른 픽셀은 보라색, 마지막 픽셀은 빨간색이다. 하단 그래프는 상향 모드에서 GF 재구성을 적용하여 재구성된 프로파일을 보여준다. 픽셀을 가로지르는 신호의 시간적 변화를 50ns 단위로 나누어 다양한 대기 심도 정보를 제공한다. (출처:Search for the Anomalous Events Detected by ANITA Using the Pierre Auger Observatory / Published 27 March, 2025)

"불가능한" 지구 통과

ANITA 실험에서 감지된 두 신호는 0.6EeV(엑사전자볼트)라는 엄청난 에너지를 가지고 있었는데, 이는 알려진 출처에서 나온 기존 신호보다 200배나 더 강력했다. 그러나 더욱 놀라운 것은 두 입자 경로 모두 지평선 아래에서 왔다는 것이다. 펜실베이니아 주립대학교와 아르헨티나 바릴로체 원자력 연구 센터의 스테파니 위셀은 "전파 펄스는 얼음 아래에서 약 30도 각도로 방출되었다"고 보고했다.

이는 이처럼 극도로 에너지가 높은 붕괴 입자가 지구 전체를 통과했음을 의미한다. 하지만 이는 사실상 불가능한 것으로 간주된다. 피에르 오제 협력팀은 "표준 모형의 어떤 입자도 이러한 에너지로 지구를 약 5,700km 통과하고 통과할 수 없다"고 설명했다. 알려진 입자의 붕괴 생성물은 암반에 의해 차단되어 흡수되어야 한다.

▲ ANITA 실험의 측정 풍선은 남극 대륙 상공에서 매우 강력한 두 가지 신호를 포착했다. 놀랍게도 이 신호는 지구 아래에서 온 것이었다. © Stephanie Wissel / Penn State, CC-by-nc-nd 4.0

원인은 무엇일까?

그렇다면 이 두 가지 불가사의한 신호의 원인은 무엇일까? "이것은 흥미로운 문제다. 우리는 아직 이러한 이상 현상의 원인을 설명하지 못하고 있기 때문이다"며 "우리가 아는 것은 이러한 이상 현상이 중성미자에 의한 것이 아닐 가능성이 높다는 것이다"고 말했다. 해답을 찾기 위해 물리학자들은 ANITA 측정 데이터를 다시 한번 철저히 분석하고 다른 입자 검출기의 모델 및 데이터와 비교했다.

이러한 비교 중 하나에서 연구팀은 같은 기간 아르헨티나의 피에르 오제 천문대에서 포착한 약 760만 개의 입자 신호를 분석했다. 이 천문대는 우주 입자의 붕괴 연쇄를 감지하도록 설계되었다. 따라서 위셀과 동료들은 지표면 아래에서 발생한 입자 궤적을 찾기 위해 데이터를 탐색했다.

▲ 오제 천문대(Auger-Observatorium)의 이 형광 검출기는 공기 중을 질주하는 입자의 빛나는 궤적을 포착한다. © Pierre Auger Observatory /CC-by-sa 2.0

표준 모형으로는 설명되지 않음

결과:
오제 천문대는 남극 대륙에서 발생한 불가사의한 전파 펄스를 설명할 수 있는 단 하나의 현상도 포착하지 못했다. 이는 이러한 신호가 실제로 우주 중성미자나 다른 알려진 입자에서 비롯된 것이 아님을 시사한다. "이 사건들은 여전히 ​​변칙적인 현상이다"고 위셀은 말했다. 이러한 변칙적인 전파 신호의 특징은 아직 표준 물리 모형으로는 설명할 수 없다. 연구팀은 "이 신호들은 알려진 입자 붕괴나 상호작용의 입자 연쇄 반응과 맞지 않다"고 기술했다.

따라서 남극 대륙에서 발견된 두 가지 변칙적인 입자 신호를 둘러싼 미스터리는 여전히 남아 있다. 위셀은 "빙하 아래나 지평선에서 우리가 아직 이해하지 못하는 과정이 일어나고 있다고 생각한다"라고 말한다. "하지만 이미 여러 후보를 조사했지만, 아직 아무것도 발견하지 못했다. 현재로서는 이것이 미해결 미스터리 중 하나다.“

물리학자들은 새로운 검출기를 포함한 향후 측정 비행을 통해 이러한 변칙 현상들을 더 많이 포착하기를 희망한다. "그러면 그 정체를 알아낼 수 있을지도 모른다"고 위셀은 말했다.
참고: Physical Review Letters, 2025; doi: 10.1103/PhysRevLett.134.121003
출처: 펜실베이니아 주립대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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