초대칭Super Symmetry과 암흑물질Dark Matter

초대칭Super Symmetry과 암흑물질Dark Matter

초대칭이론super symmetry theory이 예견하는 입자들 중에 암흑물질의 후보로 추정되는 것이 몇 개 있는데, 그중 하나가 뉴트리노neutrino(중성미자)의 초대칭짝인 뉴트럴리노neutralino(가상입자로 초중성소자라 한다)이다. 이 입자는 전기적으로 중성이며 눈으로 볼 수 있으며 중력에 반응할 정도로 질량도 제법 큰데다 안정 상태를 오래 유지할 수 있게 때문에(이미 가장 낮은 에너지상태에 있으므로 더 낮은 상태로 붕괴되지 않는다) 암흑물질의 강력한 후보로 추정된다. 암흑물질의 정체가 뉴트럴리노로 판명되면 암흑물질이 우주의 23%를 채우고 수소와 헬륨은 4%밖에 되지 않는 이유를 설명할 수 있을 것이다.

빅뱅이 일어나던 무렵에 우주의 온도가 너무 높아서 원자핵과 전자가 따로 놀았지만 그로부터 38만 년이 흐른 뒤 우주가 적당히 식으면서 원자가 형성되기 시작했다. 지금 우주에 존재하는 원자들은 대부분 이 시기에 만들어졌다. 즉 우주 곳곳에 분포되어 있는 모든 물질은 안정된 원자가 형성될 수 있을 정도로 우주가 차가워진 시기에 탄생한 것이다.

뉴트럴리노에 대해서도 이와 동일한 논리를 펼칠 수 있다. 빅뱅이 일어난 직후에 온도가 너무 높아 뉴트럴리노도 충돌에 의해 붕괴되었다. 그러나 온도가 점차 내려가다가 어느 시점에 이르자 뉴트럴리노는 안정 상태를 유지하면서 그 수가 점차 늘어나기 시작했다. 이론적인 계산에 의하면 뉴트럴리노의 수는 원자를 훨씬 능가하며, 현재 추정되는 암흑물질의 양과 거의 비슷하다. 따라서 초대칭입자를 도입하면 우주에 암흑물질이 지금처럼 많은 이유를 설명할 수 있다.

미국의 이론물리학자로 1996년에 컬럼비아 대학의 교수가 된 브라이언 그린Brian Greene(1963~)은 끈이론을 직접 혹은 간접적으로 입증할 수 있는 실험데이터를 다섯 가지로 분류했다.

1. 유령 같은 입자, 뉴트리노의 질량이 실험을 통해 결정되면 끈이론은 이 값을 설명할 수 있다.

2. 모든 입자를 기하학적 점point으로 간주하는 표준모형의 작은 오차(입자의 붕괴 등)

3. 중력과 전자기력 외에 먼 거리까지 작용하는 새로운 힘이 실험적으로 발견되면 수많은 칼라비-야우 다양체들Calabi-Yau manifolds 중 하나를 고르는 데 결정적인 힌트가 될 수 있다.

4. 암흑물질이 발견되면 끈이론의 예견을 검증할 수 있다.

5. 끈이론은 우주에 존재하는 암흑에너지의 양을 계산할 수 있다.