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[표지로 읽는 과학]'우주의 23%'암흑물질의 실마리를 찾다

2019년 04월 27일 09:00
이미지 확대하기네이처 제공
네이처 제공

국제학술지 ‘네이처’는 25일 이탈리아 라아퀼리아 근처 지하 1290m 깊이 암반 아래 위치한 그란사소 이탈리아국립핵물리연구소(INFN Gran Sasso)의 모습을 표지로 실었다. 연구소에 설치된 회색 빛깔의 ‘제논1T 암흑물질 검출기’의 모습이 보인다. 


제논1T 암흑물질 검출기는 2014년 가동을 시작해 ‘유령물질’이란 별칭을 가진 암흑물질을 찾는 프로젝트에 쓰이고 있다. 우주의 23% 이상을 차지하는 암흑물질은 전파, 적외선, 가시광선, 자외선, 감마선와 같은 전자기파로 관측이 불가하다. 오로지 중력을 통해서만 존재가 인식된다. 암흑물질의 구성 성분은 아직 밝혀지지 않았으며, 약한 상호작용을 하는 질량을 가진 기본입자들(WIMP)로 구성됐다는 이론이 제시되고 있다.


해당 프로젝트를 이끌고 있는 엘레나 에이프럴 미국 콜롬비아대 물리학과 교수 연구팀은 검출기를 활용해 암흑물질에 대한 이해를 높여줄 방사성 붕괴현상을 발견했다. 방사성 붕괴현상은 방사성 핵종이 자발적으로 방사선을 방출해 다른 핵종으로 변환되는 현상을 뜻한다. 


연구팀은 방사성물질인 제논-124에서 텔루륨-124로 붕괴되는 현상을 살펴봤다. 그 과정에서 기존엔 관측이 어려웠던 중성미자의 이중전자포획 현상을 직접 관찰했다. 이중전자포획은 원자핵의 붕괴방식 중 하나로 두 개의 궤도 전자가 원자핵의 두 양성자에 포획돼, 두 개의 중성자로 변한다. 이 과정에서 두개의 중성미자가 방출된다. 


하지만 이중전자포획은 보통 단일전자포획과 같은 다른 붕괴방식에 가로막혀 자주 관찰되지 않는다. 모든 붕괴방식이 금지되거나 강하게 가로막힐 경우 이중 전자 포획을 관찰할 수 있다. 이중전자포획 현상이 자연적으로 발생하는 동위원소는 35개가 있다. 하지만 이중 실제로 관측된 것은 없다. 


연구팀에 따르면 제논-124에서 텔루륨-124의 붕괴 반감기가 1.8 × 1022년인 것으로 나타났다. 우주 나이의 1조배에 이르는 반감기를 가진 셈이다. 연구팀의 실제 관측 전 예상과 동일한 결과였다.  


에이프럴 교수는 “이번 검출 결과를 통해 중성미자에 대한 이해를 높일 수 있을 것”이라며 “중성미자가 관여하지 않는 이중전자포획 과정을 검출하는데도 유용하게 이용될 수 있을 것”이라고 밝혔다. 

 

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