별난 중성미자 우주의 좋은 뉴들

별난 중성미자 우주의 좋은 뉴들

보통 물질인 중입자에 대해서는 그 탄생의 순간까지 거의 접근했는데도, 과학자들은 자신들 이야기의 대부분 즉 중입자 아닌 물질의 이야기를 놓치고 있음을 알고 있다. 우주의 질량을 측정한 모든 실험은 결과를 내놓는다. 이 세 입자가 렙톤의 절반을 차지한다. 우주에 있는 모든 물질은 쿼크 아니면 렙톤으로 만들어졌다. 우주에 잇는 별난 물질이 쿼크들로 이루어진 것은 아니므로, 우리는 행방불명된 물질의 수수께끼를 풀기 위해 렙톤들을 주목할 수밖에 없다. 중입자 물질은 오메가의 약 5%이지만 우주에는 물질의 총량은 그 보다 대략 7배에 이른다는 것이다. 이것은 우주에 있는 물질의 훨씬 큰 부분이 설명되지 않았다는 뜻이다. 물질의 대부분이 행방불명이다. 밝혀지지 않고 남아있는 것은 중입자 아닌 물질의 형태를 한 것이 분명하다. 다시 말해 쿼크들로 이루어지지 않는 '별난' 무엇이다. 다행히도 쿼크만큼이나 기본적인 입자이면서 쪼갤 수 없는 다른 입자들도 있다. 이 입자 중에서 전자가 가장 잘 알려져 있다. 결국 그들은 행방불명된 많은 물질을 설명하기에 충분할 정도로 오랫동안 버틸 수가 없다. 전자와 아무리 안정된 것이라도 그 많은 별난 물질을 설명할 수 없다. 전자가 공간을 떠돈다면 전자가 지닌 전하는 금세 사라져 버릴 것이다. 과학자들은 다른 물질과 결합 되지 않은 전자가 엄청난 양으로 우주를 돌아다니고 있다는 아무런 표지도 찾아내지 못했다. 이렇게 하나씩 배제해 가면서 혐의는 자연스럽게 남아있는 세 가지 렙톤들, 즉 중성미자들로 향했다. 과학자들은 전자에는 그보다 더 무거운 형제들, 즉 뮤온과 무거운 타우 입자들이 있다는 것을 잘 알고 있다. 하지만 앞에서 살펴본 세 렙톤은 우주에 있는 모든 별난 물질을 설명할 수 없다. 뮤온과 타우 입자들은 1조분의 1초보다 더 짧은 시간에 붕괴한다. 하지만 중성미자는 입자 동물원에 있는 모든 입자 중에서 가장 잘 알려지지 않고 이해하기 어려운 녀석이다. 겨우 몇 년 전까지만 해도 중성미자의 무게가 얼마인지 그리고 중성미자가 무게를 가졌는지조차 아무도 알지 못했다. 중성미자는 거의 잴 수 없기 때문에 과학자들은 그것의 가장 기본적인 특성들조차도 측정할 수 없었다. 아무도 중성미자가 질량의 갖는지, 빛 속도로 여행하는지 알지 못했다.

지난 몇 년 동안 중성미자를 둘러싸고 있던 안개가 마침내 걷히기 시작했다. 과학자들은 중성미자의 무게를 재고 그 특성들의 목록을 작성하고 있다. 중성미자를 연구하는 천문학자들은 심지어 하늘에 있는 물체들을 분석하는 데 중성미자를 이용하기도 한다. 처음에 중성미자는 그냥 계산을 맞추기 위한 장치였다. 1930년에 물리학자 볼프강 파울리는 베타붕괴라고 불리는 과정 중에 자연이 자기 자신의 법칙을 어기고 있는 것처럼 보인다는 것을 깨달았다. 베타붕괴란 중성자가 양성자로 바뀌는 과정이다. 보통의 천문학자들이 같은 목적으로 빛, 즉 광자를 이용하는 것처럼 말이다. 물질 이야기에서 뒤의 절반은 쿼크에서 렙톤으로 강한 힘에서 약한 힘으로 넘어간다. 이들은 표준모형에서 최종적인 성분들이다. 과학자들이 우주의 물질은 해하려는 연구에서 그들은 안내하는 최종적인 이론은 바로 행방불명된 물질이 있는 곳이다. 우주론자들이 우주의 광대함을 이해하기 전에 입자물리학자들은 그들에게 우주가 무엇으로 구성되어있는지 알려주어야만 한다. 지금 입자물리학에서 가장 뜨거운 쟁점이 되는 것은 중성미자다. 베타붕괴는 자연에서 끊임없이 일어난다. 독립적인 중성자들만 이런 방식으로 붕괴하는 것이 아니라, 코발트 - 60처럼 안정적이지 않은 원소들은 전자를 뱉어내고 중성자를 양성자로 바꿈으로써 더욱 안정적인 상태가 된다. 파울리는 베타붕괴가 물리학에서 가장 기본적인 법칙 하나를 위반하는 것으로 보이기 때문에 무엇인가 잘못되었다고 생각했다. 즉 운동량이 보존되지 않은 것이다. 중성미자의 시대가 왔다. 중성미자 도의 도착과 더불어 우주론자들은 마침내 신비로운 별난 실체에 대해 배우기 시작하였다. 신비로운 별난 실체를 모두 합치면 우주에서 중입자 물질의 무게를 훨씬 넘어선다. 이것은 마치 자동차 무게가 사람의 무게를 넘어선 것처럼 극적인 일이다. 물질 이야기에서 앞의 절반은 강한 힘이 만들어낸 쿼크와 글루온에 관한 것이다. 물리학의 몇 가지 이론들은 거의 신성불가침이고, 우주가 작동하는 방식에서 기본이 된다고 물리학자들은 믿는다. 그것은 물질의 질량 및 속도의 함수다. 에너지와 마찬가지로 운동량은 이동하거나 새로 분배될 수 있지만, 외부 힘없이 생겨나거나 사라질 수 없다. 이 효과에 대응하여 중성자는 반대 방향의 운동량을 조금 얻어 반대 방향으로 알게 된다. 다만 전자보다 질량이 더 크기 때문에 약간 더 느리게 날아간다. 전자의 운동을 관찰하고 그것을 중성자의 운동과 비교하자, 파울리는 입자들의 운동량이 정확하게 0에 도달하지 않는 것을 발견했다. 예를 들어, 과학자들은 에너지가 새로 만들어질 수도 있는 파괴될 수도 없다고 믿는다. 에너지는 이리저리 흩어질 수도 있고 형태를 바꿀 수도 있고 물질로 변할 수도 있지만 완전히 사라져 버릴 수는 없다. 이것은 바로 에너지보존 법칙이다. 어떤 일이 일어나기 전에 존재하던 에너지의 총량은 그 일이 있고 난 다음에도 그대로다. 자연은 에너지로 넘어갈 때 매우 조심스러운 자신의 법칙을 보존해 온 것으로 보인다. 운동량이 불리는 것도 이와 같다. 운동량이란 '미는 힘'과 비슷한 것이라고 생각하면 이해하기 쉽다. 피우라는 운동량보존 법칙이 틀렸거나, 아니면 눈에 보이지 않으면서 질량이 없는 입자가 붕괴하는 중성자에서 달아남으로써 감소하는 운동량을 가져간다고 생각했다. 그리고 그는 뒤의 가능성을 선택하였다.