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- 현재 이론에 따르면, 그러한 중수소 핵은 빅뱅 이후 처음 몇 분 동안에만 형성될 수 있다.
- 국제 우주 정거장 ISS의 측정 결과가 파문을 일으키고 있다.
- 특정 에너지 범위의 중수소 수가 이론적 모델에 따라 예상했던 것보다 훨씬 높아
- 장비로 포착한 중수소의 약 9.4%가 원시 기원
- 초기 우주에서 이러한 중수소가 형성되는 아직 알려지지 않은 과정이 있었음이 틀림없다.

우주선(宇宙線)의 예상치 못한 과잉

중수소 핵의 비율이 너무 높으면 인식할 수 없는 과정을 나타낼 수 있다.

모델에 공백이 있나요?
국제 우주 정거장 ISS의 입자 탐지기가 우주 방사선에 대한 놀라운 측정 결과를 제공했다. 측정 결과물은 필요한 것보다 훨씬 더 많은 중수소 핵인 중수소를 포함하고 있다. AMS 공동 보고서의 물리학자들은 이러한 초과 현상을 성간 물질의 충돌과 같은 2차 과정으로 설명할 수 없다고 밝혔다. 따라서 중수소는 초기 우주에서 아직 알려지지 않은 과정에 의해 생성되었을 것이다. 

▲ 국제 우주 정거장의 AMS 탐지기(상단 중앙의 흰색 상자)는 예상치 못한 높은 비율의 중수소 핵을 측정했다. © NASA

수소는 우주에서 가장 흔하고 독창적인 원소다. 빅뱅 직후에 형성됐다. 일반적인 수소 외에도 중수소를 포함한 더 무거운 동위원소도 만들어졌다. 원자핵에는 양성자 외에도 중성자가 있다. 현재 이론에 따르면, 그러한 중수소 핵은 빅뱅 이후 처음 몇 분 동안에만 형성될 수 있다. 나중에 중성자 밀도와 에너지는 더 충분하지 않았고 원시 중수소 핵의 상당 부분이 계속 반응하여 헬륨을 형성했다.

중수소 핵은 오늘날에도 여전히 우주선에서 검출될 수 있다. 비록 아주 작은 비율일지라도 말이다. 이론에 따르면, 이들은 거의 전적으로 2차 중수소, 즉 헬륨 원자와 성간 매질의 충돌에 의해 생성된 중수소 핵이다.

고에너지 중수소가 너무 많다.

이제 국제 우주 정거장 ISS의 측정 결과가 파문을 일으키고 있다. 알파자기분광기(AMS)는 우주선 외부에 설치되어 있으며, 이는 우주선 입자 검출기다. 2011년부터 이 장비는 반물질 입자, 헬륨 핵, 고에너지 양성자를 포함하여 2,330억 개 이상의 우주선 입자를 기록했다. AMS Collaboration의 물리학자들은 이제 처음으로 중수소 핵의 비율을 더 정확하게 결정하기 위해 이 데이터를 평가했다.

결과:
2011년부터 2021년까지 AMS 탐지기는 약 2,100만 개의 우주 중수소를 포착했다. 자체적으로는 많은 것을 의미하지 않는다. 그러나 물리학자들이 이 값을 양성자 수와 검출된 헬륨-3 및 헬륨-4 핵과 비교했을 때 예상치 못한 사실이 드러났다. 특정 에너지 범위의 중수소 수가 이론적 모델에 따라 예상했던 것보다 훨씬 높았다는 것이다.

팀이 보고한 대로 "이 편차의 중요성은 10시그마이다." 이는 순전히 무작위적인 변동이 거의 불가능하다는 것을 의미한다.

2차 프로세스로는 설명할 수 없음

도대체 이것이 어떻게 설명될 수 있는가? 현재 이론에 따르면 헬륨-3과 중수소는 헬륨-4가 성간 물질과 충돌해 생성된다. 따라서 우주선에서 헬륨-3과 중수소의 비율은 헬륨-4 핵의 비율과 결합되어야 한다. 그러나 AMS 데이터에 따르면 그것은 정확히 사실이 아니다. 물리학자들이 발견한 것처럼 특정 에너지 이상에서는 중수소-헬륨-4 비율이 헬륨-3에서 헬륨-4 비율로 분리된다.

AMS Collaboration의 대변인인 Samuel Ting은 "이것은 예상치 못한 일이며 우리가 아직 우주선에 대해 얼마나 아는 것이 없는지 다시 한번 보여준다"고 말했다. 놀랍게도 중수소의 과잉은 이러한 중수소 핵이 성간 매질에서의 2차 충돌에 의해 생성될 수 없음을 시사한다. 왜냐하면 그 비율은 더 높은 에너지에서도 비례해야 하기 때문이다. 하지만 이것은 사실이 아니다.

▲ 우주선의 중수소와 헬륨-4의 비율. Rot: Messwerte des AMS-Detektors; 녹색과 파란색: 두 가지 이론 모델의 예측 결과, 회색: 다른 실험에서 측정된 값이다. © AMS Collaboration/ Physical Review Letters, CC-by 4.0

초기 우주에서 인식할 수 없는 소스?

AMS Collaboration 물리학자들은 장비로 포착한 중수소의 약 9.4%가 원시 기원임에 틀림없다고 결론지었다. 이는 표준 모델이 허용하는 것보다 훨씬 더 많은 것이다. Ting이 설명했듯이, 초기 우주에서 이러한 중수소가 형성되는 아직 알려지지 않은 과정이 있었음이 틀림없다. 이 과정이 어떤 모습이었는지는 불분명하다.

AMS 팀은 이제 탐지기의 향후 업그레이드가 미스터리를 해결하는 데 도움이 되기를 바라고 있다. 이는 포획된 입자의 양과 결정의 정확성을 크게 높이기 위한 것이다.
(Physical Review Letters, 2024; doi: 10.1103/PhysRevLett.132.261001)
출처: CERN

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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