미지의 존재 ‘제5의 힘’이란 무엇인가?(2/2)

미지의 존재 ‘제5의 힘’이란 무엇인가?(2/2)

==별의 냉각 정도로 탐색하는 연구, 국제 연구팀 발표
사상 최고 정밀도의 범위 좁히기에 성공==

 

 

중성자별의 ‘차가움’으로 제5의 힘을 탐색하다

 

피오릴로 연구팀은 우주에 존재하는 ‘중성자별’을 관측하는 방식으로 제5의 힘의 존재를 검증했다. 중성자별은 태양 질량의 8배 이상 되는 항성이 수명의 마지막에 남기는 천체다. 항성 중심에 있던 원자핵이 한계까지 압축되어, 극도로 빽빽하게 모인 고밀도 천체로, 말하자면 하나의 거대한 ‘원자핵’과 같다.

 

중심에서 핵융합을 일으키는 항성과 달리, 중성자별 자체는 별다른 활동을 하지 않으며 에너지를 생산하지 않는다. 따라서 중성자별은 시간이 지남에 따라 점점 식어가며, 그 냉각 속도는 네 가지 기본 상호작용을 바탕으로 예측할 수 있다.

 

그러나 여기에 제5의 힘이 개입하면 상황이 달라진다. 이번 연구에서는 제5의 힘을 매개하는 소립자가 ‘스칼라 입자’(스핀이 0인 입자)라고 가정했으며, 이 입자가 원자핵과 상호 작용해 서 원자핵으로부터 에너지를 방출시키는 물리 과정이 일어난다고 보았다.

 

조금 더 쉽게 말하면 이렇다. 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자가 서로 힘을 주고받을 때, 기존에 알려진 현상 외에도 제5의 힘을 매개하는 소립자가 새롭게 생성되어 원자핵 밖으로 빠져나갈 것으로 예상된다. 그 결과 원자핵은 생성된 소립자만큼의 에너지를 잃고 온도가 내려간다. 즉 제5의 힘이 존재한다면, 천체는 예상보다 더 빠르게 에너지를 잃고 식게 된다.

 

이러한 냉각 과정은 항성이나 백색왜성에서도 일어난다고 여겨지지만, 중성자별은 양성자와 중성자 사이의 거리가 극단적으로 짧고 밀도가 매우 높은 천체다. 따라서 다른 천체에 비해 냉각 속도의 차이가 특히 두드러지게 나타날 것으로 예상된다.

 

 

제5의 힘의 범위 좁히기에 성공

 

피오릴로 연구팀은 다른 천체의 영향을 거의 받지 않는 고립된 중성자별 5개를 관측하고, 그 나이로부터 이론적으로 예측되는 온도와 실제 온도 사이에 차이가 있는지를 조사했다.

 

참고로 이번에 조사한 중성자별 가운데 4개는, 이른바 ‘마그니피센트 세븐(The Magnificent Seven)’이라 불리는 7개의 중성자별 중 일부다. 직역하면 ‘위대한 7인’으로, 영화 『황야의 7인』의 원제에서 따온 명칭이다.

 

관측 결과를 이론과 비교한 결과, 중성자별에서 이론적 예측을 넘어서는 과도한 냉각은 발견되지 않았다. 이는 언뜻 보면 아쉬운 결과일 수 있지만, 이 분야의 연구로서는 큰 성과다. 천체 관측을 통해 제5의 힘을 탐색하는 시도는 이전에도 있었으나, 이번 연구에서는 제5의 힘을 매개하는 소립자의 질량 범위를 4자릿수, 원자핵과의 상호작용 강도를 2자릿수만큼 개선해, 사상 최고 수준의 정밀도로 제5의 힘의 존재 가능 범위를 좁히는 데 성공했다.

 

이번 연구는 제5의 힘을 매개하는 소립자를 스칼라 입자라고 가정했다. 따라서 만약 다른 기본 상호작용처럼 게이지 입자(스핀이 0이 아닌 보손)일 경우에는 이번 연구 방법이 그대로 적용되지 않는다. 그러나 설령 그렇다 하더라도, 중성자별을 냉각시키는 다른 물리 과정에 관여할 가능성이 있어, 중성자별의 냉각 속도를 통해 제5의 힘의 성질을 제한하는 연구는 계속 가능하다.

이번 연구 결과는 천체 관측이 미지의 상호작용을 탐색하는 데 적합하다는 점을 보여주는 하나의 사례라 할 수 있다.

 

* 자료출처=ITmedia NEWS

* 일본어원문=未知なる存在「第5の力」とは何か？　星の冷え具合から探索する研究、国際研究チー ムが発                       表過去最高精度の絞り込みに成功

* 출처=https://www.itmedia.co.jp› news › articles › news013

1/6(화) 8:05 배포