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- 별이 폭발할 때는 방사선, 가스, 먼지와 함께 뉴트리노(중성미자)도 방출. 이 입자들은 수십억 년 동안 보존.
- 일본의 슈퍼 카미오칸데(Super-Kamiokande) 검출기에서 알맞은 에너지를 가진 뉴트리노의 결정적인 초과 현상이 관측돼

우주 초기의 슈퍼노바(초신성) 입자를 발견했을까? 

▲ 별의 폭발은 방사선, 가스, 먼지와 함께 중성미자를 방출한다. 이 중성미자는 수십억 년 동안 남아 있다. · 사진: © ESO/L. Calçada

이론적으로 전 우주는 우주 탄생 이래 별 폭발을 통해 방출된 기본 입자인 '슈퍼노바 뉴트리노'의 확산 배경 소음으로 가득 차 있어야 한다. 최근 물리학자들이 이 뉴트리노의 "속삭임"에 대한 첫 번째 징후를 발견했을 수 있다. 일본의 슈퍼 카미오칸데(Super-Kamiokande) 검출기에서 알맞은 에너지를 가진 뉴트리노의 결정적인 초과 현상이 관측되었다.

▲ 빅뱅 이후, 별의 폭발은 끊임없이 중성미자를 방출해 왔다. 이러한 중성미자는 오늘날에도 희미한 초신성 중성미자 배경으로 관측될 수 있다. — © 카미오카 천문대/도쿄대학교 우주선 연구소

아주 오래된 슈퍼노바 뉴트리노 추적

뉴트리노는 어디에나 존재하지만 검출하기는 매우 어렵다. 질량이 거의 없는 이 기본 입자는 물질과 거의 상호작용하지 않기 때문이다. 뉴트리노는 방사성 핵분열, 별 내부의 핵융합뿐만 아니라 별의 초신성과 같은 고에너지 우주 폭발 시에도 발생한다. 단 한 번의 코어 붕괴 초신성 폭발로도 모든 종류의 뉴트리노가 10^58개 라는 엄청난 양으로 방출될 수 있다.

천체물리학자들은 전 우주가 '확산 슈퍼노바 뉴트리노 배경(DSNB)'으로 가득 차 있을 것으로 추정다. 이 우주 배경 소음에는 빅뱅 이후 발생한 거의 모든 별 폭발의 뉴트리노가 포함되어 있어야 하며, 따라서 우리 우주의 역사에 대해 많은 것을 밝혀줄 수 있다. 모델에 따르면 아주 오래된 이 슈퍼노바 뉴트리노들은 오늘날에도 1에서 몇십 메가전자볼트(MeV) 사이의 에너지를 유지하고 있다.

▲ 일본의 슈퍼 카미오칸데 검출기는 중성미자가 물의 양성자 및 가돌리늄 원자와 충돌하여 발생하는 2차 입자와 섬광을 통해 중성미자를 검출한다. — © 카미오카 천문대/도쿄대학교 우주선 연구소

하지만 바로 이 점 때문에 지금까지 이론적으로만 가정되었던 뉴트리노 배경을 검출하기가 어렵다. 태양, 지구 암석의 방사성 분열, 또는 원자로와 같은 가까운 출처에서 나오는 뉴트리노가 이 에너지 영역에서 슈퍼노바 뉴트리노의 희미한 "속삭임"을 덮어버리기 때문이다. 전 세계에서 이 신호를 식별해 낼 수 있을 만큼 충분한 차폐와 장비를 갖춘 뉴트리노 검출기는 극소수에 불과하다.

지하 탱크 속의 빛의 번쩍임

이러한 뉴트리노 검출기 중 하나가 일본 기후현에 위치한 슈퍼 카미오칸데이다. 1천 미터 암반 아래에 위치한 이 지하 관측소는 5만 톤의 초순수를 채운 탱크를 추적 도구로 사용한다. 탱크 내부에서 뉴트리노가 물분자와 충돌하면 2차 입자와 함께 희미한 빛의 번쩍임(체렌코프 광)이 발생하며, 이를 탱크 벽면에 설치된 약 1만3000개의 광센서가 감지한다.

슈퍼 카미오칸데 콜라보레이션의 세키야 히로유키(Hiroyuki Sekiya)가 이끄는 연구 팀은 슈퍼노바 뉴트리노 배경의 흔적을 찾기 위해 이 검출기에서 수집한 5천일간의 관측 데이터를 분석했다. 데이터의 일부는 검출기 탱크에 순수한 물만 넣고 측정한 것이며, 일부는 물에 가돌리늄을 첨가하여 감도를 높인 개선된 측정 단계에서 얻은 것이다.

결정적인 뉴트리노 초과 현상

분석 결과, 연구진은 통계적으로 유의미한 신호, 즉 13.3에서 81.3메가전자볼트(MeV) 사이의 에너지 영역에서 뉴트리노 신호가 살짝 초과하여 나타나는 현상을 발견했다. 연구 팀의 설명에 따르면 이 초과 영역은 슈퍼노바 배경 모델과 일치하는 범위다. 검출된 신호는 초당 1제곱센티미터당 평균 3.6개의 추가 뉴트리노가 유입되는 것에 해당하며, 이는 단순한 우연으로 설명하기에는 너무 높은 수치다.

▲ 슈퍼-카미오칸데 탐사에서 얻은 초신성 중성미자 배경 확산 관측 예비 결과. 붉은색 영역은 중성미자 과잉 영역을 나타낸다. — © 슈퍼-카미오칸데 협력단

다만, 2.6시그마(Sigma)의 신뢰도로 검출된 이 뉴트리노 초과 현상은 공식적인 '발견'으로 인정받기에는 부족하다(공식 발견 인정을 위해서는 5시그마의 신뢰도가 필요하다). 따라서 물리학자들은 아직 예비 단계인 이 결과를 강력한 '정황 증거'로 설명하며, "슈퍼 카미오칸데가 확산 슈퍼노바 뉴트리노 배경의 첫 번째 징후를 감지했다"고 밝혔다.

세키야 박사와 연구 팀은 향후 추가 측정을 통해 결과의 신뢰도를 더욱 높일 수 있을 것으로 확신하고 있다. 그들은 이미 이번 신호를 중요한 도약으로 보고 있다. 세키야 박사는 "확산 슈퍼노바 뉴트리노 배경에 대한 세계 최초의 징후를 관측한 것은 매우 뜻깊은 성과"라며, "이는 슈퍼 카미오칸데 프로젝트 시작 이래 오랫동안 품어온 목표였기 때문"이라고 전했다.

 

출처: Hiroyuki Sekiya (Unioversity of Tokyo) et al., Neutrino 2026: XXXII International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics, Präsentation

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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