by WIRED US

이탈리아의 한 산밑에 있는 한적한 실험실에서 물리학자들은 빅뱅 후 2~3분 사이에 일어났던 핵반응을 다시 만들어냈다.

11월 11일 네이처지에 발표된 그들의 반응률 측정은 우주 최초의 원자핵을 단조 시킨 빅뱅 핵합성으로 알려진 일련의 단계에서 가장 불확실한 인자를 감소시킨다.

이 연구에 참여하지 않은 영국 더럼 대학의 천체물리학자 라이언 쿡(Ryan Cooke)에 따르면 연구자들은 이 결과에 대해 "너무나도 황홀하다."라고 했다. 그는 "입자물리학, 핵물리학, 우주론, 천문학 등에서 관심 있는 사람들이 많을 것"이라고 말했다.

이 반응에는 중수소가 관여하는데, 중수소는 우주에서 처음 3분 이내에 융합된 양성자 1명과 중성자 1명으로 구성된다. 대부분의 중수소는 헬륨과 리튬과 같은 더 무겁고 안정된 원소로 빠르게 융합되었다. 그러나 몇몇은 오늘날까지 살아남았다. 우르바나 샴페인 일리노이 대학의 천체물리학자 브라이언 필즈(Brian Fields)는 "사람들은 빅뱅에서 나오는 중수소 몇 그램을 몸에 지니고 있다"고 말했다.

남아 있는 중수소의 정확한 양은 양성자와 중성자의 밀도와 그것들이 우주 확장에 의해 얼마나 빨리 분리되었는지 등 주요 세부사항을 보여준다. 이탈리아 국립 핵물리연구소의 핵천체물리학자인 카를로 구스타비노(Carlo Gustavino)는 "중수소(Deuterium)는 "이 시대의 특별한 목격자"라고 말했다.

그러나 물리학자들은 중수소가 양성자와 융합하여 동위원소 헬륨-3을 형성하는 속도를 아는 경우에만 그러한 정보 조각들을 추론할 수 있다. 지하핵천체물리연구소(LUNA)의 공동작업에 의한 새로운 측정이 굳어진 것은 이 비율이다.


초기 우주 탐사

중수소 생성은 빅뱅 핵합성의 첫 단계로, 우주가 양자와 중성자의 초 뜨거우면서도 급속하게 냉각되는 액체일 때 일어나는 일련의 핵반응이었다.

1940년대부터 핵물리학자는 핵으로 조립된 수소, 헬륨, 리튬의 다양한 동위원소가 양성자와 중성자를 어떻게 융합하고 흡수하는지를 설명하는 일련의 연동 방정식을 개발했다. (더 무거운 원소들은 훨씬 후에 항성 내부에서 형성되었다. 그 이후 연구원들은 연구실에서 원초적 핵반응을 복제함으로써 방정식의 대부분의 측면을 시험했다.

그렇게 하면서 그들은 급진적인 발견을 했다. 그 계산은 1970년대에 암흑물질에 대한 최초의 증거를 제공했다. 또한 빅뱅 핵합성은 물리학자들이 서로 다른 중성미자의 수를 예측할 수 있게 해 주었고, 이는 우주의 확대를 추진하는 데 도움을 주었다.

그러나 현재 거의 10년 동안 중수소가 양성자를 흡수하여 헬륨-3으로 변할 가능성에 대한 불확실성으로 인해 우주 최초의 분들의 모습이 안개처럼 흐려졌다. 가장 중요한 것은 그 불확실성으로 인해 물리학자들은 38만 년 후 우주가 원자핵의 궤도를 선회할 수 있을 정도로 냉각된 우주와 그 사진을 비교하지 못하게 되었다는 점이다. 이 과정은 당시 우주의 스냅숏을 제공하는 우주 마이크로파 배경이라고 불리는 방사선을 방출했다.

우주학자들은 우주 진화의 모델을 바탕으로 우주의 밀도가 예상대로 한 시대에서 다른 시기로 바뀌었는지를 확인하고자 한다. 만약 두 사진이 동의하지 않는다면, 쿡은 "그것은 정말 이해하기에 중요한 것이 될 것이다."라고 말했다. 암흑 물질의 본질과 같은 완강하게 지속되는 우주론적 문제에 대한 해결책은 이 틈새에서 발견될 수 있으며, 이국적인 새로운 입자의 첫 징후도 발견할 수 있다. 쿡은 "빅뱅 이후 1~2분에서 수십만 년 사이에 많은 일이 일어날 수 있다"고 말했다.

그러나 연구자들이 이런 종류의 비교를 할 수 있게 해주는 모든 중요한 중수소 반응률은 측정하기가 매우 어렵다고 한다. 필즈는 "당신은 통제된 방식으로 연구실의 빅뱅을 실험하고 있다."라고 말했다.

물리학자들은 1997년에 마지막으로 측정을 시도했다. 그 이후 우주 마이크로파 배경에 대한 관측은 점점 더 정밀해져, 빅뱅 핵합성을 연구하는 물리학자들에게 그 정밀도와 일치하도록 압력을 가하게 되었다. 따라서 두 시대를 비교할 수 있게 되었다.

2014년 쿡과 공저자는 멀리 떨어진 가스 구름의 관측을 통해 우주의 중수소의 풍부함을 정밀하게 측정했다. 그러나 이러한 풍요를 원초 물질 밀도의 정확한 예측으로 해석하기 위해서는 중수소 반응률을 훨씬 더 잘 측정할 필요가 있었다.


상황을 더욱 혼란스럽게 하여, 2016년에 발표된 이 비율에 대한 순전히 이론적인 추정치는 1997년 실험실 측정과 일치하지 않았다.

루나(LUNA) 합작 멤버 구스타비노(Gustavino)는 "매우 혼란스러운 시나리오였다. 루나는 이 반응을 정확히 측정할 수 있었기 때문에 이 시점에서 나는 협업에 대해 강압적으로 되었다."라고 말했다. 


희귀한 조합

중수소가 양성자와 얼마나 쉽게 결합하는지를 측정하는 난제의 일부는 실험실 조건에서 반응이 그리 자주 일어나지 않는다는 것이다. 루나 실험은 매초 중수소 표적에 100조 양성자를 발사한다. 하루에 몇 개만 융합하면 된다.

난이도를 더하면, 지구 표면에 끊임없이 비가 내리는 우주 광선은 중수소 반응에 의해 생성되는 신호를 모방할 수 있다. 산드라 자바타렐리(Sandra Zavatarelli)와 함께 루나의 자료 수집과 분석을 주도한 프란체스카 카바나(Francesca Cavanna)는 "바위로 덮여있는 지하 실험실에 있기 때문에 우주적 침묵의 혜택을 볼 수 있는 있다."라고 말했다.

3년 넘게, 과학자들은 이탈리아의 그란 사소 산속 깊은 곳에 있는 실험실에서 교대로 일주일간 교대했다.  카바나는 "정말로 과학 안에 있다고 느끼기 때문에 즐겁습니다."라고 말했다. 그들이 점차 데이터를 수집함에 따라, 더 넓은 물리학계에서 압력이 증가하였다. 팀원 마리알루이사 알리오타(Marialuisa Aliotta)는 "추측도 많았고 기대도 많았다."라고 말했다.

밝혀진 바와 같이, 이 팀의 새롭게 발표된 측정은 우주가 어떻게 작용하는지에 대한 그들의 모델의 균열을 찾는 우주론자들에게 실망으로 다가올 수도 있다.


작은 단계

원시 핵합성의 시대에서 발견된 온도 범위에서 중수소가 양성자와 얼마나 빨리 융합되어 헬륨-3을 형성하는지를 나타내는 측정률은 2016년 이론적 예측과 1997년 측정 사이에 있다. 더 중요한 것은 물리학자들이 빅뱅 핵합성의 방정식에 이 비율을 주입할 때 38만 년 후 우주 마이크로파 배경의 관측과 밀접하게 정사각형인 원시 물질 밀도와 우주 팽창 속도를 예측한다는 점이다.

알리오타는 "그것은 본질적으로 우주론의 표준 모델이, 지금까지는, 꽤 옳다는 것을 말해줍니다."라고 말했다.

그것은 그 자체로 우주의 차세대 모델들이 꼭 들어맞아야 하는 격차를 압축한다. 전문가들은 암흑물질에 대한 일부 이론은 그 결과에 의해 배제될 수도 있다고 말한다.

그것은 이국적인 새로운 우주적 성분이나 효과에 찬성하는 증거보다는 덜 기대된다. 그러나 알리오타는 "이 정밀 천문학 시대에 과학자들은 작은 걸음을 내딛고 나아가고 있다."라고 말했다. 필즈는 "예측, 측정, 관찰 등에서 꾸준히 더 좋은 성과를 내기 위해 노력하고 있다"고 입을 모았다.

지평선에는 차세대 우주 마이크로파 배경 측정이 있다. 한편 중수소의 행동이 이제 더 잘 이해됨에 따라, 다른 원시적 핵반응과 원소적 풍요의 불확실성은 더욱 절박해진다.

필즈에 따르면 오랫동안 "빅뱅 핵합성 연고를 타고 날아라"는 것은 중수소로부터 계산된 물질 밀도와 우주 극초단파 배경은 우리가 실제로 관찰하는 것보다 우주에 3배나 많은 리튬이 존재해야 한다고 예측한다는 것이다.

알리오타는 "아직 알려지지 않은 것들이 많이 있다. 그리고 미래가 가져올 것은 매우 흥미로울 것이다."라고 말했다. 


원작은 시몬스 재단(Simons Foundation)의 사설 독립 출판물인 콴타 매거진(Quanta Magazine)의 허락을 얻어 다시 출판되었다. 시몬스 재단은 수학, 물리, 생명과학 분야의 연구 발전과 동향을 취재함으로써 과학에 대한 대중의 이해를 높이는 것을 목적으로 하고 있다.  


** 위 기사는 와이어드UK(WIRED.co.uk)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 배효린 에디터)


<기사원문>
Physicists Pin Down the Nuclear Reaction Just After the Big Bang