5차원으로 이루어진 쿼크별

브라이언 그린(Brian Greene)의 끈 이론(String Theory)에 대한 대중서인 ‘엘레간트 유니버스’ 에서 우주는 우리가 흔히 접하는 3차원으로 이루진 것이 아니라 상상하기 조차 힘든 11차원으로 이루어져 있다고 한다. 실제로 입자물리학자들은 CERN의 하드론 충돌기(Hardron Collider)를 이용하여 이 숨이 있는 차원에 대해 연구하고 있다.
끈 이론은 거시세계와 미시세계의 물리학을 하나로 통합하려는 이론으로, 예일대학의 Richard Easehter와 동료들은 연구 결과를 통해 대폭발 이후 처음 나타난 우주배경 복사를 정밀하게 측정하면 끈이론을 뒷받침하는 관측 결과를 얻을 수 있을 것이라고 주장한 바 있다. (GTB2004050623)

이와는 달리 헝가리 부다페스트(Budapest, Hungary)의 입자 핵물리 연구소(Research Institute for Particle and Nuclear Physics)의 게글리 개버(Gergely Gabor)와 그의 동료들은 만약 우주가 우리가 생각하는 3차원이 아닌 숨어 있는 차원이 있다면 그것을 밝히기 위해 굳이 수십억 달러의 비용을 들여 만든 입자 가속기를 이용하지 않아도 되지 않을까 라는 의문을 품었다. 게글리는 여분의 차원이 밀도가 아주 높은 별 주변의 엄청난 중력이 미치는 영역에서 나타날 것이라고 제안하였다. 게글리의 제안이 옳다면 먼 별에서 발산되는 의문의 입자 시그닛(cygnet)에 대한 25년간의 수수께끼도 해결할 것으로 여겨진다.

바나폴디(Barnafoldi)의 연구팀은 여분의 차원과 물질의 상호작용 증거를 찾기 위해 백조자리 X-3의 쌍성계(binary system)을 분석하였다. (쌍성계는 두 별이 서로의 중력에 의해 서로의 주위를 도는 것으로 백조자리 X-3에 존재하는 쌍성계는 중성자별로 여겨지는 물체주위를 정상적인 별이 돌고 있다고 여겨진다.) 백조자리 X-3의 이 물체는 거대한 중력 하에 있어 천체물리학자들은 여분의 차원이 물질에 영향을 미칠 수 있는 조건을 만족할 것으로 여기고 있다. 백조자리의 이 물체에서는 여분의 차원에 의해 뒤틀린 것으로 여겨지는 고에너지의 입자들이 방출되어 지구까지 도달한다. 천문학자들은 시그닛(cygnets)라 이름붙인 이 고에너지 입자들이 지구의 대기를 통과하면서 뮤온(muon)으로 소멸되는 것으로 여기고 있다. 실제로 1981년 이후 지하에 설치된 검지기에서 백조자리 방향으로부터 오는 뮤온이 간헐적으로 검출되고 있다.

하지만 시그닛이 어떻게 3만7천 광년의 거리를 지나오면서 소멸되지 않는지는 수수께끼로 남아있다. 이 수수께끼에 대해 천체물리학자들은 시그닛이 중성자별이 붕괴하고 남은 가상의 별인 쿼크(quark)별로부터 방출되기 때문이라고 여기고 있다. 만약 쿼크별이 스트레인지 쿼크(strange quark)를 많이 포함하고 있다면 이론상으로 시그닛과 같이 수명이 긴 입자를 방출할 수 있기 때문이다.
하지만 이런 해석도 문제가 있다. 왜냐하면 수많은 스트레인지 쿼크는 별을 블랙홀로의 붕괴를 일으키기 때문이다. 기존 연구에 따르면 먼 은하계에서 일어나는 강력한 감마선 섬광은 원자핵을 구성하는 입자들이 분해되어 있는 초고밀도의 쿼크 별에 의해 생성될 가능성이 있다. (GTB2005021321)

이 문제 해결을 위한 답으로 바나폴디(Banafoldi)의 연구팀은 만약 5차원의 공간이 고리형태로 말려있다면 스트레인지 쿼크를 많이 포함하는 별도 블랙홀로 붕괴하지 않고 안정적으로 존재할 수 있다고 설명한다. 거의 모든 우주공간에서 이 5차원은 물질에 영향을 미치지 않지만 백조자리 X-3과 같은 거대한 중력 하에서는 다른 종류의 쿼크가 스트레인지 쿼크처럼 거동할 수 있다는 것이다. 즉 5차원 공간을 지나오는 쿼크는 우리가 관측할 수 없는 숨어 있는 여분의 차원을 돌면서 진행하기 때문에 우리가 관측하는 3차원 공간에서 예상보다 느리게 움직여 스트레인지 쿼크처럼 거동할 것이라고 연구팀의 피터 레베이(Peter Levai)는 설명하였다.

샌디에고 주립 대학(San Diego State University)의 천체물리학자인 프리도린 웨버(Fridolin Weber)는 백조자리 X-3이 여분의 차원을 찾기에 최적이라고 설명한다. 그리고 백조자리 X-3은 거대한 우주 입자가속기 역할을 한다고 전하면서 앞으로 시그닛의 근원에 대한 더 많은 증거가 필요하다고 덧붙였다.


참조 서적: 브라이언 그린 “엘러간트 유니버스”

정보제공 : 한국과학기술정보연구원(KISTI) 해외과학기술동향
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