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- 암흑 물질 입자는 빅뱅 직후, 우주가 팽창하고 식어가기 시작하면서 형성
- 암흑 물질과 암흑 에너지는 빅뱅 직후 "우주 원시 수프"를 지배했던 반정수 스핀을 가진 가볍고 빠른 입자인 원시 페르미온에서 진화
- 페르미온 쌍의 상전이 흔적은 특히 우주 배경 복사에서 발견되어야 한다

암흑 물질은 어떻게 생성되었을까?
빅뱅 이후 빛과 뜨거운 입자 쌍의 충돌이 암흑 물질을 생성했을까?

새로운 이론은 여전히 ​​수수께끼로 남아 있는 우주의 구성 요소인 암흑 물질의 기원을 설명할 수 있을 것이다. 이 이론은 뜨거운 우주 "원시 수프" 속의 빠르고 거의 질량이 없는 입자 쌍에서 시작된다. 이 입자들은 상전이를 거쳐 차갑고 무거운 입자로 "뭉쳐" 물리학자들이 보고하는 암흑 물질의 구성 요소가 되었다. 그렇다면 이 이론은 어떻게 검증될 수 있을까? 

▲ 천문학자들은 암흑 물질의 분포를 지도화할 수 있지만, 그것이 무엇으로 구성되어 있고 어떻게 형성되었는지는 아직 밝혀지지 않았다. © NASA/ESA, Richard Massey/캘리포니아 공과대학교

암흑 물질과 암흑 에너지는 우주론에서 가장 큰 미스터리이다. 그것들이 우주, 거대 구조, 그리고 은하의 진화에 결정적인 영향을 미쳤음에도 불구하고, 무엇으로 구성돼 있고 어떻게 생성됐는지 완전히 알려지지 않았다. 물리학자들은 그 기반 입자의 대략적인 질량이나 다른 특성조차 알지 못한다. 잠재적 후보 입자에 대한 모든 탐색은 지금까지 아무런 성과도 거두지 못했다.

물리학자들은 우주의 이 "어두운 면"의 기원에 대해 추측만 할 수 있을 뿐이다. 뉴햄프셔 다트머스 대학교의 량관밍(Guanming Liang)과 로버트 콜드웰(Robert Caldwell)은 "암흑 물질에 관한 주요 패러다임은 우주의 원시 열탕에서 침전된 차갑고 비상대론적인 입자 종에서 발생했다는 것이다"고 설명했다. 이 이론에 따르면, 암흑 물질 입자는 빅뱅 직후, 우주가 팽창하고 식어가기 시작하면서 형성되었다.

빠르고 뜨거운 경량 입자에서

하지만 이러한 암흑 물질은 어떻게 형성되었으며, 어떤 종류의 입자가 그 기원이었을까? 량과 콜드웰이 개발한 이론이 이제 가능한 답을 제공한다. 이 이론에 따르면, 암흑 물질과 암흑 에너지는 빅뱅 직후 "우주 원시 수프"를 지배했던 반정수 스핀을 가진 가볍고 빠른 입자인 원시 페르미온에서 진화했다.

"암흑 물질은 거의 질량이 없는 입자로 존재하기 시작했는데, 마치 빛의 광자처럼 상대론적 속도로 돌진했다. 이는 암흑 물질에 대한 일반적인 이해와는 완전히 상반된다. 암흑 물질은 은하에 질량을 부여하는 차갑고 무거운 덩어리다"고 콜드웰은 설명했다. 량과 콜드웰의 이론은 이 가볍고 뜨거운 입자에서 어떻게 차갑고 무거운 암흑 물질이 생성될 수 있었는지 설명하려고 한다.

▲ 차갑고 무거운 암흑 물질은 뜨겁고 가벼운 페르미온 쌍에서 응축되었을 가능성이 있다. © sakmesterke/Getty Images

쌍과 무거운 "덩어리"로

새로운 이론에 따르면, 암흑 물질의 진화는 우주의 열탕에서 매우 짧은 시간 동안 시작되었다. 그곳에서 원시 페르미온은 처음에는 표준 모형에 포함된 입자의 다른 모든 이전 입자처럼 행동한다. 그러나 이후 페르미온은 서로 충돌하기 시작하여 반대 스핀을 가진 두 입자의 쌍을 형성한다. 이러한 쌍 형성의 특성은 초전도체에서 전자의 쿠퍼 쌍과 유사하다.

여기서 중요한 점은 이러한 쌍 형성이 원시 입자의 거동을 변화시킨다는 것이다. 우주가 더 식으면서 입자들은 상전이를 겪게 되어 차갑고 무거운 입자가 된다. 이렇게 빠르고 뜨거운 입자 쌍은 새롭고 더 무겁고 차가운 입자들의 "덩어리"를 형성하고, 이 상전이를 통해 응축되어 암흑 물질 입자가 된다. 콜드웰은 "입자들간의 특정 상호작용이 이러한 에너지 감소로 이어질 수 있는지에 대한 단서를 찾기 위해 초전도 현상을 살펴보았다"고 말했다.

에너지의 급격한 감소

사실, 두 물리학자가 초기 우주에서 이러한 쌍 형성과 그에 따른 새로운 유형의 입자 형성을 가정한 최초의 사람은 아니다. 소위 남부-조나-라시니오(NJL) 모델에 따르면, 양성자, 중성자, 중간자를 포함한 물질의 모든 기본 구성 요소는 빅뱅 이후 유사한 과정을 통해 나타났다. 그들 역시 우주의 온도와 밀도가 감소함에 따라 원시 우주 수프 속 거의 질량이 없는 입자 쌍에서 응축되었다.

"이러한 에너지의 갑작스러운 감소는 우주 초기의 고밀도, 고에너지 입자들과 훨씬 낮은 에너지의 '덩어리' 입자들 사이에 다리를 형성한다"고 량은 설명했다. 그들의 이론에 따르면, 암흑 물질은 이러한 응축 과정의 결과물이다. 물리학자들은 "따라서 우리 이론은 알려진 개념과 타임라인에 기반한다"며 "우리 이론의 장점은 그 이론의 기반이 되는 모델이 매우 간단하다는 것이다. 이론을 실현하는 데 많은 요소가 필요하지 않다"고 설명했다.

암흑 에너지가 중간 단계인가?

새로운 이론은 우주의 팽창을 일으키는 신비한 힘인 암흑 에너지가 어떻게, 그리고 무엇인지도 설명할 수 있다. 이 모델에서 이 힘은 즉시 응축되지 않는 원시 페르미온 쌍에서 발생했다. 물리학자들은 "이 장은 위상 변화를 겪지 않고 전위가 지배하는 준안정 상태를 유지한다"고 기술했다.

결과적으로, 이 쌍들은 질량을 얻지만 암흑 물질 입자를 형성하기 위해 "뭉쳐지지" 않는다. 량(Liang)과 콜드웰(Caldwell)은 "이러한 거대한 페르미온의 경우, 상전이가 차단되어 장수명 암흑 에너지의 잔여 원천이 남게 된다"고 말했다.

▲ ESA의 플랑크 위성이 생성한 우주 배경 복사 지도. © ESA/Planck Collaboration

우주 배경 복사는 증거를 제공할 수 있다.

하지만 이 시나리오와 그 기저 이론을 어떻게 검증할 수 있을까? 량과 콜드웰은 이에 대한 가능한 접근법도 개발했다. 그들에 따르면, 페르미온 쌍의 상전이 흔적은 특히 우주 배경 복사에서 발견되어야 한다. 물리학자들은 "비상대론적인 거대한 암흑 물질 응축은 표준 시나리오에서 예측하는 것보다 다소 빠르게 붕괴해야 할 것이다"고 설명한다. "이는 배경 복사와 우주의 대규모 구조에 대한 측정을 결합하여 검증할 수 있다.“

이러한 측정은 초기 우주에서 페르미온 쌍이 형성되고 응축될 때의 에너지와 상호작용을 좁히는 데 사용될 수 있다. 이는 결과적으로 생성된 암흑 물질 입자의 질량과 양에 대한 통찰력을 제공할 수 있다.
(Physical Review Letters, 2025; doi: 10.1103/PhysRevLett.134.191004)
출처: 다트머스 대학교, Physical Review Letters

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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