블랙홀이 방금 폭발했나요? 이 ‘불가능한’ 입자가 증거일 수도 있다

이제 매사추세츠 대학교 애머스트(Amherst) 대학의 물리학자들은 설명을 찾았을 수도 있다고 생각합니다. 그들의 아이디어는 “준극단 원시 블랙홀”로 알려진 희귀한 유형의 블랙홀의 폭발적인 죽음과 관련이 있습니다.

우주의 가장 깊은 비밀에 대한 단서

에 발표된 연구에서 실제 검토 편지연구자들은 그러한 사건이 어떻게 이 특별한 에너지를 가진 중성미자를 생성할 수 있는지 보여줍니다. 그들은 또한 이 단일 입자가 우주의 기본 구조에 대한 통찰력을 제공할 수 있다고 제안합니다.

원시 블랙홀이란 무엇입니까?

과학자들은 이미 전형적인 블랙홀이 어떻게 형성되는지 이해하고 있습니다. 거대한 별의 연료가 고갈되면 강력한 초신성으로 붕괴하여 빛조차도 빠져나올 수 없을 만큼 강력한 중력을 지닌 물체를 남깁니다. 이 블랙홀은 매우 거대하며 일반적으로 안정적입니다.

그러나 1970년에 물리학자는 스티븐 호킹은 또 다른 가능성을 제안했다. 그는 빅뱅 직후 초기 우주에서도 블랙홀이 형성될 수 있다고 제안했습니다. 이를 원시 블랙홀(PBH)이라고 합니다. 아직 직접적으로 관찰된 적은 없지만 이론으로 예측하고 있습니다. 일반 블랙홀과 마찬가지로 밀도가 엄청나게 높지만 질량은 훨씬 더 작을 수도 있습니다.

호킹은 또한 블랙홀이 완전히 조용하지 않다는 것을 보여주었다. 충분히 뜨거워지면 현재 호킹 복사라고 알려진 과정을 통해 입자를 방출할 수 있습니다.

호킹 복사와 블랙홀 폭발

“블랙홀이 가벼울수록 더 뜨거워지고 더 많은 입자를 방출하게 됩니다”라고 UMass Amherst의 물리학 조교수이자 새로운 연구의 공동 저자인 Andrea Thamm은 말합니다. “PBH가 증발함에 따라 점점 더 가벼워지고 뜨거워지며 폭발할 때까지 폭주 과정에서 더 많은 방사선을 방출합니다. 우리 망원경이 감지할 수 있는 것이 바로 호킹 방사선입니다.”

과학자들이 이러한 폭발 중 하나를 관찰할 수 있다면 모든 유형의 기본 입자를 드러낼 수 있습니다. 여기에는 전자, 쿼크, 힉스 보존과 같은 알려진 입자뿐만 아니라 암흑 물질 입자와 같은 가상의 입자 및 완전히 새로운 형태의 물질도 포함됩니다.

UMass Amherst 팀의 이전 연구에 따르면 이러한 폭발은 예상보다 더 자주, 아마도 10년에 한 번씩 발생할 수 있습니다. 현재 장비를 사용하면 이미 탐지가 가능할 수도 있습니다.

이론에서 관찰까지

최근까지 이 아이디어는 순전히 이론적으로만 남아 있었습니다.

그러다가 2023년에 KM3NeT 협업이 극도로 활동적인 중성미자를 발견했습니다. 관찰 결과는 연구자들이 예측했던 종류의 신호와 일치했습니다.

두 실험 사이의 퍼즐

그러나 이 발견은 새로운 질문을 불러일으켰습니다. 고에너지 중성미자를 탐지하기 위해 설계된 또 다른 주요 실험인 IceCube에서도 비슷한 내용이 기록되지 않았습니다. 사실, 그 에너지의 극히 일부라도 가지고 있는 중성미자를 관찰한 적이 없습니다.

원시 블랙홀이 흔하고 자주 폭발한다면 왜 그러한 사건은 더 자주 볼 수 없습니까? 이 불일치에는 설명이 필요했습니다.

“다크 차지”의 역할

“우리는 준극단 PBH라고 부르는 ‘암흑 전하’를 가진 PBH가 잃어버린 고리라고 생각합니다”라고 UMass Amherst의 물리학 박사후 연구원이자 논문 공동 저자 중 한 명인 Joaquim Iguaz Juan은 말합니다.

제안된 “암흑 전하”는 익숙한 전기력과 다소 유사하게 동작하지만 “암흑 전자”라고 하는 훨씬 더 무거운 전자 버전을 포함합니다.

공동 저자이자 UMass Amherst의 물리학 조교수인 Michael Baker는 “PBH의 다른 더 간단한 모델이 있습니다.”라고 말했습니다. “우리의 암흑전하 모델은 더 복잡합니다. 즉, 현실에 대한 보다 정확한 모델을 제공할 수 있다는 뜻입니다. 정말 멋진 점은 우리 모델이 설명할 수 없는 이 현상을 설명할 수 있다는 것입니다.”

Thamm은 “암흑 전하를 갖는 PBH는 독특한 특성을 가지며 다른 단순한 PBH 모델과 다른 방식으로 동작합니다. 우리는 이것이 일관되지 않은 것처럼 보이는 모든 실험 데이터에 대한 설명을 제공할 수 있음을 보여주었습니다.”라고 덧붙였습니다.

이것이 암흑물질을 설명할 수 있을까?

연구자들은 그들의 모델이 하나의 특이한 중성미자를 설명하는 것 이상의 역할을 할 수 있다고 믿습니다. 또한 물리학의 가장 큰 미스터리 중 하나를 해결하는 데 도움이 될 수도 있습니다.

베이커는 “은하와 우주 배경파에 대한 관찰은 일종의 암흑물질이 존재한다는 것을 암시한다”고 말했다.

Iguaz Juan은 “만약 우리가 가정한 암흑 전하가 사실이라면 다른 천체물리학 관측과 일치하고 우주에서 누락된 모든 암흑 물질을 설명할 수 있는 상당한 PBH 집단이 있을 수 있다고 믿습니다”라고 덧붙였습니다.

우주를 보는 새로운 창

“고에너지 중성미자를 관찰하는 것은 놀라운 사건이었습니다”라고 Baker는 결론을 내렸습니다. “그것은 우리에게 우주에 대한 새로운 창을 제공했습니다. 그러나 이제 우리는 호킹 복사를 실험적으로 검증하고 원시 블랙홀과 표준 모델을 넘어서는 새로운 입자에 대한 증거를 얻고 암흑 물질의 신비를 설명하는 정점에 있을 수 있습니다.”