엄청 크고 매우 작은 우주라는 세계의 신비

우주는 굉장히 크고 작은 세계다. '왜 우리가 이 우주에 존재하는가?'라는 문제에 중성미자가 관련되어 있을지도 모른다고 하면 대부분의 사람은 무슨 말인지 전혀 모른다.
 
바라보는 범위를 크게 해 나가면 우주는 어디까지나 끝없이 펼쳐져 있다. 빅뱅으로부터의 빛이 퍼져 있는 범위는 10^27미터 정도의 범위이므로 그 이상은 어떻게 되고 있는지는 아직 잘 모른다. 다만 알고 있는 범위만으로도 29자리의 범위가 있다. 그 정도로 우주는 큰 것이다.

그런데 우주의 연구를 해 나가면 큰 것뿐만 아니라 작은 것도 중요하다는 것을 알게 된다. 원자, 원자핵, 소립자의 세계이다. 지금의 우주는 상상도 할 수 없을 정도로 큰 것이지만 시간을 되감아 보면 이상하게도 우주는 점점 작아져 간다. 그리고 갓 태어난 무렵은 매우 뜨겁고 작았던 것으로 나타났다. 그러므로 우주가 어떻게 태어나 지금의 우주가 되어 왔는가 하는 것을 밝히기 위해서는 작은 세계를 모르면 안된다.

우주는 정체불명의 물질로 가득

이 우주가 무엇으로 되어 있는지도 아직 잘 알고 있지 않다. 2003년에 NASA의 관측위성 WMAP에 의해 이 우주의 에너지의 내역을 측정할 수 있게 되었다. 이렇게 말하면 우주가 무엇으로 만들어졌는지 알게 된 것처럼 들리지만 그렇지 않다.

우주라고 하면 아름다운 별이나 은하를 떠올리지만 그것들을 전부 모아도 우주 전체의 0.5% 정도 밖에 되지 않았다. 중성미자는 0.1~1.5%로 역시 우주 안에서는 소수파다. 게다가 우리 몸을 만드는 보통의 원자로 만들어진 물질은 우주 전체에서 4.4%. 이 모든 것을 합쳐도 5% 정도이며 100%에는 한참 멀다.

우리는 만물은 원자로 되어 있다고 학교에서 배워 왔지만 이 우주에 있는 원자를 전부 모아도 5%도 되지 않기 때문에 실은 사실이 아닌 것이다. 우리는 지금까지 물질이 우주의 중심이라고 생각했다. 그렇지만 실은 물질은 우주 속에서 조금밖에 없는 것이 분명했다.

WMAP의 관측결과에 따르면 우주의 23%는 암흑물질이고 73%는 암흑에너지로 이것들을 더함으로써 눈에 띄는 100%라 할 수 있지만 암흑물질도 암흑에너지도 그 정체를 알고 있지 않다. 정체불명의 수수께끼의 물질이나 에너지라는 임시적 이름으로 붙어 있을 뿐이다.
 
다만 암흑물질은 우주의 시작부터 별이나 은하가 어떻게 만들어 왔는지에 대한 문제와 깊은 관계가 있는 신기한 물질로 우리가 왜 존재하는지와도 깊이 관여되어 있다. 암흑물질의 유력한 후보 중 하나로 중성미자의 친척이 거론된다.

우주는 중성미자로 넘친다

암흑에너지는 이 우주의 미래와 크게 관련되어 있다. 지금 우주는 점점 팽창하고 있는데 과거에는 팽창하는 속도는 점점 느려지고 있다고 생각되었다.

그런데 팽창속도를 잘 조사해 가면 신기하게도 점점 빨라지고 있다는 것을 알았다. 이 우주의 팽창을 빠르게 하고 있는 원인이 암흑에너지가 아닐까 추정하고 있다.

이처럼 우주의 구성요소에서 보면 중성미자는 전체 에너지의 0.1~1.5% 정도밖에 없어 우주 전체에 별로 관여하지 않는 것처럼 느껴진다. 그렇지만 다른 관점에서 보면 어떨까. 앞서 보여준 우주의 구성요소는 에너지였지만, 이번에는 입자의 수를 비교해 보자.

물질을 만드는 입자의 수로 카운트해 보면 이 우주에는 중성미자가 가장 많이 있다. 우리 몸을 만드는 양성자, 중성자, 전자 등은 중성미자의 10억분의 1밖에 없다. 사실 이 우주는 중성미자로 넘쳐났다. 한 입방센티미터당 300개가 있다는 것은 이 우주의 어디를 가도 중성미자가 있다는 것을 의미한다. 게다가 중성미자는 태양과 같은 별에서 많이 나오고 있으며 초당 수백 조의 중성미자가 우리 몸을 통과하고 있다.

그렇게 방대한 수의 중성미자가 통과하고 있음에도 불구하고 우리는 중성미자를 눈치채지 못하고 본 적이 없다. 도대체 왜일까.

사실 중성미자는 매우 소극적이다. 우리가 어떤 장소에 입자가 존재한다는 것을 알기 위해서는 입자가 힘에 반응해야 한다. 양성자와 중성자는 중력에 반응하기 때문에 다른 입자와 부딪히면 존재를 깨닫지만 중성미자는 중력이나 전자기력과는 반응하지 않으므로 우리 몸을 빠져나가 지나쳐 버린다. 그러므로 우리는 자신의 몸을 지나가는 중성미자를 걱정하지 않고 살고 있다.

중성미자를 잡는 방법

태양으로부터의 중성미자를 잡으려고 얼마나 많은 납덩어리를 놓으면 중성미자가 부딪치는지를 계산해 보았다. 그러자 나온 답은 납을 3광년 정도의 두께로 쌓아 겨우 한 번 확실히 부딪친다는 것이었다. 그만큼의 납은 지구상에 없고 쌓을 수도 없을 정도로 다른 것과 반응하지 않고 그 존재 자체를 알 수 없는 유령같은 소립자다.

우리는 우주의 먼지로 만들어진 것으로 알려져 있다. 실은 우주가 원자보다 더 작고 뜨거웠을 무렵 먼지의 기초가 된 물질과 그 반물질이 충돌해서는 사라지고 새로운 물질과 반물질이 태어나서는 사라지는 현상이 반복되고 있었다.

우주의 온도가 조금 내려가자 같은 수만큼 있던 물질과 반물질의 균형이 무너지고 약간의 반물질이 물질로 바뀌어 우리가 존재하는 물질의 세계가 생기면서 우리가 태어났다. 그 열쇠를 쥐고 있는 것이 지금까지 질량이 제로라고 생각되었던 중성미자에 있다.

중성미자의 신비한 성질을 규명하면서 힉스입자와 인플레이션, 그리고 암흑물질과의 관계를 풀어 왜 우리가 이 우주에서 태어났는지 생각해 보자.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 「ものすごく大きく、そして小さい」宇宙という世界の不思議
https://gendai.media/articles/-/34514?imp=0