우주중성미자배경 (Cosmic Neutrino Background)

한 줄 정의: 빅뱅 이후 우주가 식으면서 중성미자가 다른 물질과의 상호작용을 멈추고 자유롭게 퍼져나가 오늘날까지 남아 있는 것으로 예측되는 원시 중성미자의 배경 복사이다.

쉽게 풀면

우주가 태어난 직후 흩어진 중성미자들이 지금까지도 우주 전체에 배경처럼 남아 있을 것이라 예측되는 것이다.

왜 중요한가

우주 중성미자 배경은 CMB보다 앞선 시기, 우주 나이 약 1초 무렵의 정보를 담고 있는 가장 오래된 유물입니다. 직접 검출은 못 했지만 초기 우주의 상대론적 에너지 밀도를 통해 원시 핵합성의 헬륨 존재비와 CMB 음향 봉우리의 감쇠에 영향을 주므로, 유효 중성미자 종 수라는 형태로 그 존재가 간접 확인되어 있습니다. 중성미자 질량 총합에 대한 우주론적 상한도 이 배경의 구조 형성 억제 효과에서 나옵니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

Alpher, R. A. & Herman, R. (1953), "The Origin and Abundance Distribution of the Elements", Annual Review of Nuclear Science 2.

이 연구는 초기 우주 모형을 통해 CMB와 유사하게 원시 중성미자 배경이 존재할 것이라는 이론적 예측을 제시했다.

"차세대 우주배경복사 관측 계획을 다룬 리뷰 논문에서는 감쇠 효과 측정의 정밀도가 높아지면 우주 중성미자 배경의 존재를 더 정교하게 간접 검증할 수 있을 것으로 전망되었다."

이 문장은 직접 잡아낼 수 없는 이 원시 중성미자들의 흔적을, 우주배경복사 관측을 더 정밀하게 하면 간접적으로 더 확실히 확인할 수 있으리라는 뜻입니다.

조금 더 깊게 보면

오늘날 이 중성미자들의 에너지는 밀리전자볼트 수준으로 극히 낮아 현재 기술로는 직접 검출이 사실상 불가능하며, 트리튬 베타 붕괴를 이용한 실험이 제안되어 있을 뿐입니다. 온도가 CMB보다 낮은 것은 전자-양전자 소멸의 에너지가 광자에만 전달되었기 때문입니다. 중성미자에 질량이 있으므로 지금은 일부가 비상대론적이 되어 뜨거운 암흑물질의 소량 성분으로 취급됩니다. 이 배경의 존재는 CMB의 유효 중성미자 종 수(N_eff)라는 매개변수로 검증되며, 표준모형이 예측하는 값에 관측값이 가깝다는 사실 자체가 대폭발 후 약 1초 무렵에 중성미자가 물질과 분리되었다는 시나리오를 뒷받침한다.

주의할 점

우주중성미자배경은 CMB와 달리 극도로 낮은 에너지와 약한 상호작용으로 인해 아직 직접 검출되지 않았으며, 빅뱅 핵합성 등 간접적 증거로만 그 존재가 뒷받침되고 있다. 이 배경의 온도(약 1.95K)는 CMB 온도(약 2.725K)보다 낮게 예측되며, 이 차이를 CMB와 혼동해 같은 값으로 다루면 초기 우주 에너지 밀도 계산이 틀어진다.