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지금까지 검출된 어떤 중성미자(neutrino)보다 에너지 수준이 30배 높은 초고에너지 중성미자가 관측됐다. 이 중성미자는 우리은하(Milky Way) 밖에서 온 것으로 보이지만 정확한 기원은 밝혀지지 않았다.

바닷속 중성미자 검출기 블록 내부 모습. 이탈리아 시칠리아 인근 지중해 수심 3천450m에 있는 'ARCA' 검출기 내부 모습 그림 ⓒKM3NeT. Edward Berbee/Nikhef 제공

높은 에너지의 중성미자와 그 근원 등을 연구하는 '큐빅 킬로미터 중성미자 망원경'(KM3NeT) 공동연구단은 13일 과학 저널 네이처(Nature)에서 1년 전 지중해 3천450ｍ의 해저 검출기(ARCA)에 포착된 중성미자의 에너지가 220 PeV(페타전자볼트)로 분석됐다며 이같이 밝혔다.

KM3NeT 공동연구단에는 이탈리아와 프랑스 등 전 세계 21개국, 68개 기관의 과학자, 엔지니어, 기술자 등 360여 명이 참여하고 있다.

은하 중심의 초대질량 블랙홀이나 초신성 폭발, 감마선 폭발 같은 고에너지 우주 영역에서는 강력한 우주선(cosmic ray)이 생성되며, 이런 우주선 중 일부는 주변의 물질 또는 광자와 상호 작용해 중성미자를 만들 수 있다.

중성미자는 광자 다음으로 우주에서 풍부한 입자이지만 전하가 없고 질량도 거의 없으며 일반 물질과 매우 약하게 상호작용하기 때문에 검출이 매우 어려워 유령 입자(ghost particle)로도 불린다.

공동연구자인 이탈리아 국립 핵물리학연구소(INFN) 로사 코니글리오네 박사는 "중성미자는 우주의 특별한 메신저로서 에너지가 가장 높은 현상과 관련된 메커니즘에 대한 독특한 정보를 제공하고 우주 가장 먼 곳까지 탐험할 수 있게 해준다"고 말했다.

KM3NeT 공동연구단은 이런 고에너지 중성미자 연구를 위해 이탈리아 시칠리아 인근 지중해 수심 3천450m에 'ARCA' 검출기를, 프랑스 툴롱 해안 수심 2천450ｍ에 'ORCA' 검출기를 각각 건설하면서 일부 장치로 관측을 진행하고 있다.

KM3NeT 검출기 내 광학 모듈 설명 그림 ⓒKM3NeT. Edward Berbee/Nikhef 제공

중성미자의 상호 작용 매체로 해수를 사용하는 ARCA와 ORCA 검출기는 완성되면 1㎦ 이상의 부피를 차지하게 되며, 검출기에 배치된 첨단 광학 모듈은 중성미자의 상호작용으로 생성된 뮤온 입자가 물을 통과할 때 만드는 빛을 감지한다.

연구팀은 이 연구에서 현재 건설 중인 ARCA 검출기에 지난해 2월 13일 포착된 고에너지 뮤온 입자 신호를 분석했다. 'KM3-230213A'로 명명된 이 신호를 분석한 결과 이 뮤온 입자의 에너지는 약 120 PeV로 추정됐다. 작동 센서의 3분의 1 이상에 포착된 신호는 단일 뮤온이 물을 가로지르며 생성된 것으로 나타났다. 페타(P)는 10의 15제곱을 뜻한다.

연구팀은 120 PeV의 뮤온을 만든 중성미자는 에너지가 약 220 PeV로 추정된다며 이는 지금까지 관측된 중성미자 중 에너지가 가장 높은 것으로, 우주에서 이렇게 높은 에너지의 중성미자가 생성된다는 것을 처음으로 보여주는 것이라고 말했다.

이어 검출기의 깊이와 거의 수평에 가까운 뮤온의 이동 궤적 등을 고려할 때 이 중성미자는 우리은하 밖 우주에서 왔을 가능성이 높다고 설명했다.

연구팀은 중성미자가 날아온 것으로 추정되는 방향을 토대로 12개의 활동성 은하 중심(blazars)을 잠재적인 초고에너지 중성미자 발생원으로 찾아냈다면서도 아직 이 중성미자의 천체 물리학적 근원이 명확히 밝혀진 것은 아니라고 말했다.

또 이 중성미자가 우주선(cosmic rays)이 우주 마이크로파 배경의 광자와 상호작용해 생성된 '우주 기원'(cosmogenic) 중성미자일 가능성도 있다고 제안했다.

공동연구자인 프랑스 국립과학연구센터(CNRS) 파스칼 코일 박사는 "이 연구 결과는 수백 PeV의 초고에너지 중성미자를 처음 탐지함으로써 중성미자 천문학의 새로운 장과 우주에 대한 새로운 관측 창을 연 것"이라고 말했다.

◆ 출처 : Nature, The KM3NeT Collaboration et al., 'Observation of an Ultra-High-Energy Cosmic Neutrino with KM3NeT', https://www.nature.com/articles/s41586-024-08543-1