‘우주 유령입자’ 타우 중성미자 후보군 추려졌다

송복규 기자입력 2024. 3. 17. 15:31

아이스큐브, 타우 중성미자 후보 7개 관측

우주의 기원 밝힐 새로운 천체 신호

남극의 아이스큐브 연구시설 위로 은하수가 보인다. 이번에 처음으로 우리은하에서 나온 중성미자를 포착했다./IceCube/NSF

남극에서 ‘우주의 유령입자’인 중성미자(中性微子·neutrino)를 포착하고 있는 아이스큐브 천문대에서 그동안 정체가 밝혀지지 않은 ‘타우 중성미자’의 후보가 추려졌다. 관측이 어려웠던 타우 중성미자를 파악하게 되면 중성미자를 활용한 천문학과 천체 물리학의 발전도 빨라질 것으로 기대된다.

더글라스 코웬(Douglas Cowen) 미국 펜실베이니아주립대 물리학과 교수 연구팀은 아이스큐브 천문대에서 수집한 관측 정보를 분석해 타우 중성미자 후보를 7개로 좁혔다는 내용의 연구 결과를 논문 사전출판 사이트 ‘아카이브(arXiv)’에 지난 4일 발표했다. 해당 논문은 물리학 분야 국제 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 게재가 승인됐다.

 

중성미자는 고에너지 입자인 우주선(宇宙線)이 원자와 충돌할 때 발생하는 우주 만물을 이루는 기본 입자 중 하나다. 중성미자가 유령 입자로 불리는 것은 다른 물질과 거의 반응하지 않기 때문이다. 천문학과 천체 물리학에서는 다른 입자가 들어오지 못하는 깊은 지하에서 먼 우주에서 날아온 중성미자를 찾아내 우주의 관측 수단으로 활용하고 있다.

남극 아문젠-스콧 기지에 있는 아이스큐브 천문대는 2010년 건설됐다. 남극 지하의 1㎦ 부피의 얼음에 광센서 5160개를 심어 중성미자를 100만 개 중 한 개꼴로 찾아낸다. 물을 이루는 수소와 산소 원자핵이나 전자와 부딪히는 중성미자의 신호를 감지하는 방식이다. 우주에서 날아와 지구를 통과하는 중성미자를 식별하면 우주의 기원까지 알아낼 수 있다.

연구팀이 발견한 건 타우 중성미자다. 중성미자는 진동에 따라 전자와 뮤온, 타우 세 종류의 형태로 분류된다. 그중에서도 타우 중성미자는 광센서에서 신호를 찾아내기 어려운 종류로 꼽혔다. 연구팀은 타우 중성미자로 분류될 수 있는 데이터들을 수집한 다음 인공지능(AI) 기계학습 알고리즘을 만들었다.

연구팀이 개발한 알고리즘에 2011~2020년 아이스큐브 천문대에 수집된 데이터를 적용한 결과, 타우 중성미자 후보군은 총 7개로 추려졌다. 중성미자의 종류를 파악하는 연구는 중성미자의 생성 과정과 이동 경로를 파악하고, 나아가 중성미자가 만들어진 천체를 이해하는 데 중요한 역할을 한다.

코웬 교수는 “아이스큐브 천문대는 중성미자 천체 물리학에 대한 증거를 처음 제시해 천문학의 새로운 시대를 열었다”며 “이번 발견은 타우 중성미자를 활용해 새로운 물리학을 연구할 수 있는 흥미로운 가능성을 제공한다”고 말했다.

참고자료

arXiv, DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2403.02516

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