남극 대륙의 얼음 속에서부터 기원한 것으로 추정되는 정체불명의 전파가 포착돼 주목받고 있다.

미국 펜실베이니아주립대를 포함한 국제 공동연구팀은 고공 기구에 탑재된 우주 입자 검출기 ‘남극 임펄스 과도 안테나(ANITA, Antarctic Impulsive Transient Antenna)’로기존 입자 물리학으로는 설명할 수 없는 기묘한 전파를 남극에서 여러 차례 관측했다고 13일(현지 시간) 밝혔다.

ANITA 실험의 본래 임무는 물질을 거의 건드리지 않고 지구를 스쳐 지나가는 중성미자를 찾아내는 일이었다. 전하가 없고 질량이 극도로 작은 중성미자는 우주 전역을 쉴 새 없이 누비지만, 다른 물질과 상호작용할 확률이 낮아 포착하기어렵다. 위슬 연구원은 “매 순간 엄지손톱 한 조각을 수십억 개의 중성미자가 통과하지만, 우리는 그 존재조차 느끼지 못한다”며 “그런 입자를 검출해 낸다면, 우주의 반대편에서 아무것에도 부딪히지 않고 날아온 신호를 바로 받아낸 셈”이라고 설명했다. 이처럼 중성미자는 우주 깊은 곳의 사건을 왜곡 없이 전해줄 수 있어 천체물리학에서 주목하는 입자다.

ANITA는 거대한 기구에 매달려 남극 40 km 상공을 떠돌며, 타우 중성미자(Tau neutrinos)가 얼음과 충돌할 때 생기는 미세한 전파를 잡아내도록 설계됐다. 하지만 이번에포착된 신호는 일반적인 우주선(cosmic rays)이 대기권과 충돌해 내려꽂히며 만들어내는 전파와 달리, 남극 얼음층 깊은 곳에서 지면 방향으로 역류하듯 치솟는 특이한 패턴을 보였다. 연구를 이끈 스테파니 위슬 펜실베이니아주립대 물리 천문학 연구원은 “전파가 얼음 표면 아래 약 30도의 가파른 각도에서 검출됐다”고 설명했다.

이는 신호의 근원이 된 입자가 지구 내부 수천 킬로미터를 관통하면서도 에너지를 거의 잃지 않았음을 의미한다.물리학 이론에 따르면 일반적인입자가 지구 내부처럼 먼 거리를투과하며 에너지를 유지하기는 어렵다.

하지만 현행 물리학 이론에 따르면 고에너지 입자가 암석처럼 밀집된 물질을 그토록 긴 거리를 지나며 에너지를 유지하기란 사실상 불가능하다. 또한 특이 신호가 중성미자에서 비롯됐을 가능성은 낮다고 연구팀은 판단했다. 이 때문에 학계에서는 표준모형을 넘어서는 새로운 입자나 미지의 물리적 상호작용이 존재할 가능성을 조심스럽게 제기하고 있다.

검증 과정도 진행 중이다. 세계 최대 규모의 우주선 관측소 ‘피에르 오제 천문대(Pierre Auger Observatory)’는 ANITA의 발견을 검증하기 위해 2004년부터 2018년까지의 데이터를 재조사했다. 하지만의미 있는 신호를 거의 찾지 못했다. 14년간 수집된 방대한 자료에서 특이 신호로 분류될 만한 후보 사건은 단 한 건에 불과했다.이마저도 일반적인우주선이 잘못 분석될 때 나오는 잡음과 구별되지 않았다.

피에르 오제 연구팀은 국제 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 발표한 논문을 통해 "ANITA의 관측을 상향 진행 소나기로 해석할 경우 우리 천문대에서는 수십 건의 사건이 예측되지만 실제로는 그렇지 않았다"며이는 "ANITA의 변칙적 사건을 상향 진행 소나기로 해석하는 것과 강한 불일치를 보인다"고 밝혔다. 다른 최첨단 검출기로는 ANITA가 본 현상을 확인할 수 없었던 것이다.

이로써 물리학계는 설명되지 않는 수수께끼와 마주하게 됐다. 연구팀은 현재 ‘퓨오(PUEO·Payload for Ultrahigh-Energy Observations)’라는 차세대 검출기를 개발 중이다. 위슬 연구원은“PUEO는 비행 고도와 탐지 민감도가 모두 향상돼, 더 많은 변칙 신호를 포착하거나 우리가 염원하던 중성미자를 실제로 찾아낼 수도 있을 것”이라며 “어느 쪽이든 물리학에 큰 획을 긋는 성과가 될 것”이라고 기대를 밝혔다.

/ 육지훈 기자 editor@popsci.co.kr