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중성미자(neutrino)는 우주를 구성하는 기본입자 중 하나다. 약력과 중력하고만 상호작용하는 매우 작은 질량을 가진 입자로, 지금까지 세 가지의 중성미자가 발견됐다. 2024년 11월 14일, 중성미자 관측소 ‘아이스큐브’ 협동 연구팀은 그동안 수집한 약 10년 동안의 자료를 분석했으나 지금까지 이론적으로만 그 존재가 예측된 4번째 중성미자인 ‘비활성 중성미자’를 찾지 못했다고 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’에 발표했다. doi: 10.1103/PhysRevLett.133.201804
현재까지 발견된 중성미자는 전자 중성미자, 뮤온 중성미자, 타우 중성미자의 세 가지다. 그러나 이들 외에도 과학자들은 이론적으로 중력에만 반응하는 ‘비활성 중성미자’의 존재를 예측해 왔다. 만약 비활성 중성미자가 실제로 존재하면 여러 중성미자 실험에서 발견된 이상 현상을 설명할 수 있을 뿐만 아니라, 표준모형 너머의 새로운 우주론을 만들고, 암흑물질의 기원을 파악하는 데도 도움을 줄 수 있다.
이렇게 파급력이 큰 비활성 중성미자를 찾기 위해 많은 중성미자 관측소에서 실험을 이어왔다. 그중 한곳이 남극점 근처 아문센-스콧 기지에 있는 아이스큐브 중성미자 관측소다. 이곳은 빙하 아래에 광센서를 설치해 우주나 지구 대기에서 생성된 중성미자를 검출한다. 대기에서는 뮤온 입자가 붕괴되며 중성미자가 만들어지는데, 중성미자가 남극의 빙하에 부딪힐 때 얼음 속에서 미약한 빛이 생긴다. 이 빛의 세기를 분석하면 비활성 중성미자의 존재를 밝힐 수 있다.
14개국 420명의 연구자로 구성된 아이스큐브 협동 연구팀은 비활성 중성미자의 존재를 밝히기 위해 10.7년 동안 수집한 다양한 에너지를 가진 대기 중성미자의 검출 데이터를 모아 이상 현상이 있는지 살펴봤다. 중성미자는 ‘진동’이란 현상을 통해 그 종류를 바꿀 수 있다. 그중 비활성 중성미자는 얼음과 상호작용하지 않아 관찰되지 않을 것으로 예상된다. 그러니 만약 다른 중성미자가 진동을 통해 비활성 중성미자로 바뀐다면, 검출 데이터에 빈틈이 나타나므로 간접적으로 비활성 중성미자의 존재를 예측할 수 있다.
그러나 연구팀은 검출 자료에서 비활성 중성미자의 존재를 의미하는 이상 현상을 찾지는 못했다. 이 결과는 또 다른 중성미자 연구 그룹인 ‘마이크로분’의 연구 결과와도 일치했다. 아이스큐브 연구팀은 “이제 총 10.7년 분량의 데이터를 분석했으며, 탐색한 대기 중성미자 에너지의 상한 범위를 100TeV(테라전자볼트1TeV는 1조 전자볼트)까지 늘릴 수 있었다”고 밝혔다.
