남극 빙하 깊은 곳에서 온 불가능한 신호, 물리학자들을 당혹스럽게 하다

이 특이한 전파 펄스는 남극 상공의 풍선에 탑재된 다양한 기기로 구성된 남극 임펄스 과도 안테나(ANITA) 실험에서 감지되었습니다. 이 기기들은 대기에 도달하는 우주선의 전파를 감지하도록 설계되었습니다. 사진 제공: 스테파니 위셀 / 펜실베이니아 주립대

펜실베이니아 주립대 과학자들이 포함된 국제 연구팀에 따르면, 남극의 우주 입자 검출기에서 입자 물리학의 현재 이해를 뛰어넘는 일련의 기이한 신호가 방출되었습니다. 이 특이한 전파 펄스는 남극 상공에 풍선을 띄워 대기에 충돌하는 우주선의 전파를 감지하도록 설계된 다양한 장비인 남극 임펄스 과도 안테나(ANITA) 실험에 의해 감지되었습니다.

이 실험의 목표는 지구에 도달하는 신호를 분석하여 먼 우주의 사건들에 대한 통찰력을 얻는 것입니다. 연구팀은 얼음에 반사되는 것이 아니라, 전파의 한 형태인 이 신호들이 지평선 아래에서 오는 것으로 보였는데, 이는 현재의 입자 물리학적 이해로는 설명할 수 없는 방향이며, 이전에 과학계에 알려지지 않았던 새로운 유형의 입자나 상호작용을 암시할 수 있다고 밝혔습니다.

연구진은 그들의 연구 결과를 Physical Review Letters 저널에 발표했습니다.

"우리가 감지한 전파는 얼음 표면 아래 30도 정도로 매우 가파른 각도였습니다." 중성미자라는 포착하기 어려운 입자의 신호를 찾는 ANITA 팀에서 일한 물리학, 천문학, 천체물리학과 조교수 스테파니 위셀의 말입니다.

그녀는 계산에 따르면 변칙적인 신호는 탐지기에 도달하기 전에 수천 킬로미터의 바위를 통과하고 상호 작용해야 하며, 그러면 바위에 흡수되어 전파 신호를 감지할 수 없어야 한다고 설명했습니다.

위셀은 "이것은 흥미로운 문제입니다. 우리는 아직 그러한 이상 현상이 무엇인지에 대한 실제 설명을 가지고 있지 않지만, 우리가 알고 있는 것은 그것들이 중성미자를 나타내지 않을 가능성이 높다는 것입니다."라고 말했습니다.

중성미자는 전하를 띠지 않고 모든 아원자 입자 중 질량이 가장 작은 입자로, 우주에는 풍부하게 존재합니다. 일반적으로 태양과 같은 고에너지원이나 초신성, 심지어 빅뱅과 같은 주요 우주 사건에서 방출되는 중성미자 신호는 어디에나 존재합니다. 하지만 이러한 입자의 문제점은 검출하기가 매우 어렵다는 점이라고 위셀은 설명했습니다.

"언제든 엄지손톱을 통과하는 중성미자는 10억 개에 달하지만, 중성미자들은 서로 상호작용하지 않습니다."라고 그녀는 말했다. "그래서 이건 양날의 검과 같은 문제입니다. 만약 우리가 중성미자를 감지한다면, 다른 어떤 것과도 상호작용하지 않고 여기까지 왔다는 뜻입니다. 관측 가능한 우주의 끝에서 오는 중성미자를 감지하고 있는 것일 수도 있죠."

이러한 입자를 감지하고 그 근원을 추적하면 가장 강력한 망원경보다도 우주적 사건에 대해 더 많은 것을 밝혀낼 수 있다고 위셀은 덧붙였다. 입자는 방해받지 않고 빛의 속도만큼 빠르게 이동할 수 있기 때문에 수광년 떨어진 곳에서 발생한 우주적 사건에 대한 단서를 제공할 수 있기 때문입니다.

위셀과 전 세계 연구진은 비교적 적은 양의 중성미자 신호라도 민감한 중성미자 신호를 포착하는 특수 검출기를 설계하고 개발하기 위해 노력해 왔습니다. 그녀는 중성미자에서 나오는 작은 신호 하나에도 엄청난 정보가 담겨 있기 때문에 모든 데이터는 중요한 의미를 지닌다고 말했습니다.

남극과 남미에서 중성미자를 발견하기 위한 실험을 설계한 위셀은 "우리는 정말 큰 중성미자 망원경을 만들기 위해 무선 검출기를 사용하여 예상 이벤트 발생률을 상당히 낮추려고 노력하고 있습니다."라고 말했습니다.

ANITA는 이러한 감지기 중 하나로, 다른 신호의 간섭 가능성이 거의 없기 때문에 남극 대륙에 설치되었습니다. 방출 신호를 포착하기 위해 풍선에 탑재된 무선 감지기를 얼음 위로 보내 얼음 소나기라고 불리는 현상을 포착합니다.

"남극 대륙의 얼음 위 40km 상공을 나는 풍선에 무선 안테나를 설치했습니다."라고 위셀은 말했다. "안테나를 얼음 쪽으로 향하게 하고 얼음과 상호작용하여 전파를 방출하는 중성미자를 찾습니다. 그러면 탐지기로 그 전파를 감지할 수 있습니다."

얼음과 상호작용하는 이 특수한 중성미자, 즉 타우 중성미자는 얼음에서 방출되어 붕괴하는 타우 렙톤이라는 2차 입자를 생성합니다. 물리학 용어로, 타우 렙톤은 입자가 우주를 이동하며 에너지를 잃고 구성 요소로 분해되는 과정을 의미합니다. 이로 인해 공기 샤워라고 알려진 방출이 발생합니다.

위셀은 만약 육안으로 볼 수 있다면, 공기 소나기는 불꽃이 한 방향으로 흔들리고 그 뒤에 불꽃이 붙어 있는 것처럼 보일 것이라고 설명했습니다. 연구진은 얼음 소나기와 공기 소나기라는 두 가지 신호를 구별하여 신호를 생성한 입자의 속성을 파악할 수 있습니다.

이러한 신호는 마치 비스듬히 던져진 공이 예측 가능한 각도로 다시 튀어 오르는 것처럼, 원점으로 거슬러 올라갈 수 있다고 위셀은 말했다. 그러나 최근의 이례적인 발견은 기존 모델이 예측하는 것보다 훨씬 더 날카로운 각도로 튀어 오르기 때문에 원점으로 거슬러 올라갈 수 없습니다.

여러 차례의 ANITA 비행에서 수집한 데이터를 분석하고 이를 수학적 모델과 일반적인 우주선 및 상향 공기 샤워에 대한 광범위한 시뮬레이션과 비교함으로써 연구진은 배경 소음을 걸러내고 다른 알려진 입자 기반 신호의 가능성을 제거할 수 있었습니다.

그런 다음 연구자들은 IceCube 실험 장치와 Pierre Auger 천문대와 같은 다른 독립 감지기에서 나온 신호를 교차 참조하여 ANITA에서 발견한 것과 유사한 위쪽으로 솟아오르는 공기 샤워의 데이터가 다른 실험에서도 포착되는지 확인했습니다.

분석 결과 다른 검출기들은 ANITA가 감지한 것을 설명할 만한 어떤 것도 감지하지 못했고, 이로 인해 연구진은 이 신호를 "변칙적"이라고 설명했습니다. 이는 신호를 발생시킨 입자가 중성미자가 아니라는 것을 의미합니다. 위셀은 이 신호는 입자 물리학의 표준적인 그림에 맞지 않으며, 여러 이론이 암흑 물질의 흔적일 가능성을 시사하고 있지만, 아이스큐브와 오거의 후속 관측이 부족하여 가능성은 매우 희박하다고 말했습니다.

펜실베이니아 주립대는 약 10년 동안 검출기를 제작하고 중성미자 신호를 분석해 왔다고 위셀은 설명하며, 그녀의 팀은 현재 차세대 대형 검출기를 설계 및 제작 중이라고 덧붙였다. PUEO라는 이름의 새로운 검출기는 더 크고 중성미자 신호 감지 성능이 더 뛰어나며, 이상 신호의 정확한 원인을 밝혀낼 수 있을 것으로 기대된다고 위셀은 말했습니다.

"제 추측으로는 얼음 근처와 지평선 근처에서 흥미로운 전파 전파 효과가 발생하는 것 같습니다. 아직 완전히 이해하지는 못했지만, 저희는 여러 가지를 탐사했지만 아직 아무것도 발견하지 못했습니다."라고 위셀은 말했습니다. "그래서 현재로서는 오랫동안 풀리지 않은 미스터리 중 하나인데, PUEO를 비행시키면 감도가 더 좋아질 것이라는 기대가 큽니다. 이론적으로는 더 많은 이상 현상을 포착할 수 있을 것이고, 어쩌면 그 이상 현상이 무엇인지 실제로 이해할 수 있을지도 모릅니다. 또한 중성미자를 감지할 수도 있는데, 어떤 면에서는 훨씬 더 흥미로울 것입니다."

펜실베이니아 주립대학교의 또 다른 공동 저자는 물리학 박사 과정생인 앤드류 제올라입니다. 펜실베이니아 주립대학교 과학자들이 수행한 이 연구는 미국 에너지부와 미국 국립과학재단의 지원을 받았습니다. 이 논문에는 공동 연구자와 저자의 전체 목록이 수록되어 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/06/250614122001.htm