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- "하늘의 해당 방향을 관측할 때 중성미자와 아무런 관련이 없는 천체가 우연히 번쩍이는 것을 볼 확률을 계산한다"
- 확률이 1:170만일 때 발견된 우주 복사원만을 고려한다.
- 1:170만의 확률을 기술적으로 5시그마로 표현
- IceCube는 곧 중심부에 새로운 검출기 가닥을 장착해 업그레이드될 예정

근원의 미스터리
우주 중성미자는 어디에서 기원할까?

아이스큐브 중성미자 관측소의 천문학자들이 검출된 중성미자의 잠재적 기원을 파악하면 더 많은 계산을 해야 한다. "하늘의 해당 방향을 관측할 때 중성미자와 아무런 관련이 없는 천체가 우연히 번쩍이는 것을 볼 확률을 계산한다"고 보훔 루르 대학교의 안나 프랑코비악(Anna Franckowiak)은 설명했다. 이 값은 망원경으로 관측한 천체에서 중성미자가 실제로 기원했을 가능성을 나타낸다.

천체물리학자들은 이 문제에 엄격한 한계를 두고 있다. 그들은 확률이 1:170만일 때 발견된 우주 복사원만을 고려한다. 즉, 하늘을 170만 번 관측하더라도 측정된 중성미자와 실제로 관련이 없는 단 하나의 중성미자 의심 근원만 발견하게 된다는 뜻이다. 연구팀은 1:170만의 확률을 기술적으로 5시그마로 표현한다.

물질을 집어삼키는 블랙홀

지금까지 IceCube는 이 정도 수준의 중성미자 발생원을 감지하지 못했지만, 연구팀은 몇 차례 근접한 결과를 얻었다. 2017년, 연구 컨소시엄은 3시그마, 즉 1:1,000의 확률로 소위 블레이저(blazar)에서 발생한 중성미자를 발견했다. 블레이저는 중심에 활발하게 물질을 집어삼키는 블랙홀이 있는 은하로, 이 블랙홀에서 방출되는 고에너지 복사와 입자 제트는 지구를 향하고 있다. 이 블랙홀에서 고에너지 중성미자가 검출된 것은 이러한 활성 블랙홀이 우주 복사의 주요 발생원이라는 가정을 뒷받침한다. 

▲ 블레이저는 우주 중성미자의 잠재적 원천이다. 이 활성 초질량 블랙홀은 지구를 직접 향해 방사능과 입자를 방출다. © ESA/NASA, the AVO project and Paolo Padovani

2022년과 2023년에 IceCube는 마법의 유의미성 기준점에 더욱 가까이 다가갔다. 프랑코비악 연구팀의 박사과정 학생인 지아코모 소마니는 활성 은하핵에서 발생한 것으로 보이는 두 개의 중성미자를 검출했다. 그러나 위에서 설명한 사례와는 달리, 이는 블레이자가 아니라 NGC 7469 은하에 있는 제트가 없는 블랙홀이었다. 확률은 3.2시그마였다.

2023년에 IceCube는 약간 낮은 에너지의 중성미자 80개를 검출했는데, 연구팀은 이를 NGC 1068의 활성 은하핵과 연결했으며, 확률은 4.2시그마였다. 프랑코비악은 "아주 근접한 수치지만, 5시그마 정도를 원한다"고 강조했다.

산산이 조각난 별들

IceCube 팀은 은하뿐만 아니라 더 작은 잠재적 근원에 대한 탐색도 계속하고 있다. "한동안 우리는 소위 조석 붕괴를 원인으로 고려해 왔다"고 안나 프랑코비악은 설명했다. "조석 붕괴는 별이 비활성 블랙홀에 너무 가까이 다가갈 때 발생한다. 블랙홀은 현재 물질을 삼키지는 않지만, 강력한 중력으로 별을 잡아당기고 찢어놓다. 별은 블랙홀을 향하는 면이 뒷면보다 더 강하게 당겨진다.“

아이스큐브는 수년에 걸쳐 이러한 조석 붕괴 사건과 관련이 있을 가능성이 있는 세 가지 중성미자 사건을 발견했다. 하지만 아무것도 발견되지 않았다. 보훔의 물리학자인 그는 "방향 재구성 알고리즘을 개선한 후 사건을 다시 분석했는데, 중성미자의 궤적이 조석 붕괴가 발생한 위치와 일치하지 않았다"고 말했다.

초신성 중성미자 탐색

아이스큐브 팀은 조석 재앙 외에도 또 다른 현상, 즉 태양 질량의 10배에 달하는 별의 수명이 끝날 때 발생하는 거대한 폭발인 초신성을 우주 방사선의 원인으로 고려하고 있다. 초신성은 저에너지 중성미자를 생성하는 것으로 알려져 있다. 그러나 이러한 극단적인 사건은 광활한 우주를 가로지를 수 있는 고에너지 중성미자를 생성할 가능성도 있다.

아직 이를 증명할 수 있는 사람은 없지만, IceCube 팀은 초기 단서를 발견했다. 초신성은 검출기에 의해 3시그마의 확률로 검출된 고에너지 중성미자에 기인할 수 있다. 하지만 안나 프랑코비악은 비밀리에 다른 무언가를 기다리고 있다. 바로 그녀의 집 바로 앞에서 일어나는 사건, 우리 은하의 초신성이다.

▲ 중성미자는 초신성 폭발에서도 중요한 역할을 한다. 이 초신성 잔해는 카시오페이아 A의 초신성 잔해다. 그러나 이러한 별의 폭발이 고에너지 중성미자를 방출하는지 여부는 아직 불분명하다. 명확한 증거는 아직 부족하다. © NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration, CXC/SAO/JPL-Caltech/Steward/O. Krause et al. 및 NRAO/AUI

"중성미자가 최고 에너지에 도달하지 않더라도 IceCube를 통해 이러한 중성미자를 검출할 수 있다"고 IceCube의 "저에너지" 연구 그룹 책임자이자 RUB의 노라 발토넨-마틸라(Nora Valtonen-Mattila)는 설명했다. "그렇게 되면 그 방향에서 엄청나게 많은 중성미자가 쏟아져 나와서 빛의 궤적이 단 하나만 나타나는 것이 아니라, 검출기 전체가 갑자기 밝아질 것이다. 정말 놀라운 경험이 될 것이다." 하지만 이런 경험은 은하수에서는 1세기에 한두 번밖에 일어나지 않는다. "제가 그런 경험을 할 수 있다면 정말 환상적일 것이다"고 프랑코비악은 말했다.

업그레이드 및 최적화

IceCube 중성미자 관측소 팀은 단순히 추가 신호를 기다리는 데 그치지 않고, 탐지 방법을 지속적으로 개선하기 위해 노력하고 있다. 연구원들은 중성미자의 방향을 결정하는 알고리즘을 최적화하고 있다. 점점 더 성능이 향상된 망원경 또한 "유령 입자"의 잠재적 근원을 찾을 가능성을 높이고 있다. 마지막으로, IceCube는 곧 중심부에 새로운 검출기 가닥을 장착해 업그레이드될 예정이며, 이를 통해 약간 낮은 에너지의 중성미자도 포착할 수 있게 된다. 이를 통해 언젠가는 그 기원을 명확하게 밝혀줄 유령 입자를 찾을 가능성이 높아질 것이다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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