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태양 중성미자 결손의 수수께끼
...고전적 일반 상대성 이론에서는 우주가 단일한 층(feuillet)으로 구성되어 있다고 암묵적으로 가정한다. 어떤 이들은 다른 구성을 고려할 필요가 있다는 증거는 없다고 주장한다.
그렇다.
태양 중심부에서 일어나는 핵융합 반응은 다음과 같은 형태의 에너지를 생성한다:
- 광자
- 중성미자
...중성미자는 물질과 거의 상호작용하지 않으므로 태양을 쉽게 빠져나간다. 광자 형태의 에너지는 연속적인 흡수와 재방출, 그리고 항성 내부에서 지배적인 대류를 통해 태양 표면인 채층(chromosphère)까지 고통스럽게 이동한다. 이 에너지가 채층에 도달하면 광자 형태로 방출된다.
...따라서 지구에서는 이 지연을 제외하면 광자와 중성미자를 모두 관측한다. 비교적 최근까지도 우리는 이 중성미자 흐름을 측정할 수 없었는데, 실수만 아니라면 우리 몸의 1세제곱센티미터를 매초 100억 개의 중성미자가 통과하고 있음에도 그러했다.
...이 흐름의 측정은 당혹스러운 사실을 드러냈다. 예상되는 중성미자의 약 절반만 관측된다는 것이다. 이것이 바로 태양 중성미자 결손(solar neutrino deficit), 즉 태양 중성미자 부족 현상이다. 이 현상에 대한 설명을 반드시 찾아내지 못한다면, 태양(및 별)의 동역학에 대한 우리의 모든 지식이 무너질 것이다.
...알뱅 미셸 출판사에서 출간된 나의 최근 저서 『우주의 절반을 잃어버렸다』의 첫 번째 부분에서, 나는 별의 작동 방식에 대한 이론적 이해가 만족스러운 수준이라고 썼다. 그러나 상황이 변하고 있으므로, 다음 책에서는 다음과 같은 제목의 장을 포함해야 할 것이다:
우리는 태양 중성미자의 절반을 잃어버렸다.
...일부 이론 물리학자들은 경악하는 반면, 다른 이들은 기뻐한다. 실제로 이는 양자 역학이 실제로 결함을 드러내는 최초의 현상이기 때문이다. 이를 다시 검토해야 할 것이다.
하나의 우주, 아니면 두 개?
현재 진행 중인 추측적인 아이디어는 무엇인가?
초기 참고 문헌 두 가지:
R. Foot and R.R. Volkas Phys. Rev. D Vol. 52 n°11, 1995년 12월 1일
Z.G.Berezhiani and R.N. Mohapatra Phys. Rev. Vol. 52 n° 11 1995년 12월 1일
...Foot와 Volkas는 우주가 두 개의 "섹터", 즉 우리의 섹터와 거울 섹터(mirror sector), 즉 P-대칭인 거울상(enantiomorphe) 섹터로 구성되어 있다고 생각한다. 따라서 핵융합으로 방출되는 에너지는 "고전적" 중성미자와 "거울 중성미자", 즉 두 번째 섹터에 속한 중성미자(전자형, 뮤온형, 타우형 세 종류와 물론 그들의 반입자) 모두를 포함할 것이다. 섹터, 층, 막: 이들은 동의어다.
...우리의 우주는 대칭적이지 않다. 우리는 패리티 보존 법칙의 위반(violation du principe de parité)이 일어나는 장소에 있다. "오른쪽" 반응들은 거울상 반응들과 같은 속도로 진행되지 않는다. 고전적 참고 문헌:
T.D.Lee and C.N.Yang Phys. Rev. 104, 254 (1956)
...Foot와 Volkas는 우주가 거울 우주(mirror universe)라는 쌍을 가지고 있으며, 이 거울 우주에서는 패리티 보존 법칙 위반이 반대 방향으로 일어난다고 가정하여 우주를 "대칭화"한다. 이 과정에서 우리는 군론(group theory)을 사용하여 중성미자가 CPT-대칭인 "작은 형제들"을 가질 수 있는 모델을 구축했다.
...참고: "J.P.Petit & P.Midy : Geometrization of antimatter through coadjoint action of a group on its momentum space." 3 : Twin group. [사이트: Geometrical Physics B, 1-3 ], 1998.
...또 다른 문제가 있는데, 이는 하나의 우주 대신 두 개의 우주를 고려하도록 유도한다. 바로 우리 우주에 원시 반물질이 존재하지 않는다는 점이다. 일반적으로 가장 원시적인 상태에서 우주는 스티븐 와인버그의 표현을 빌리면 "온갖 종류의 복사"로 구성되어 있었다. 광자는 입자-반입자 쌍을 생성했고, 이 쌍들은 조금 더 떨어진 곳에서 즉시 소멸하려 했다(예를 들어, 전기 전하가 반대인 전자와 반전자는 서로 끌어당긴다). 따라서 원시 우주(히브리어의 tohu-bohu)는 복사가 물질-반물질로 끊임없이 변환되고 그 반대도 일어나는 매우 격렬한 혼합물이다. 이후 우주의 팽창으로 광자의 에너지가 낮아져 더 이상 이러한 '적대적 형제' 쌍을 공급할 수 없게 된다. 그러면 우주는 광속으로 비어간다. 13초가 지나면 모든 것이 끝난다. 질문: 왜 우리가 여기 있는가? 왜 이 소멸은 완전하지 않았는가? 답변: 답이 없다.
...이 때문에 안드레이 사하로프의 몇몇 논문이 나왔는데, 그는 하나의 우주 대신 두 개의 우주가 동시에 생성되었을 수 있다고 처음 제안한 인물이다.
A.Sakharov : "CP violation and baryonic asymmetry of the Universe". ZhETF Pis'ma 5 : 32-35 (1967) ; 번역 JETP Lett. 5 : 24-27 (1967)
A.Sakharov : "A multisheet Cosmological model" Preprint Institute of Applied Mathematics, Moscow 1970
A.Sakharov : "Cosmological model of the Universe with a time vector inversion". ZhETF 79 : 689-693 (1980); 번역 in Sov. Phys. JETP 52 : 349-351 (1980)
A.Sakharov : "Topological structure of elementary particles and CPT asymmetry" in "Problems in theoretical physics", dedicated to the memory of I.E.Tamm, Nauka, Moscow 1972, pp. 243-247
세부 사항: 이 두 우주에서 시간의 화살표는 반대 방향이다. 안드레이 사하로프는 일부 출판물에서 이러한 "쌍둥이 우주"가 또한 거울상(enantiomorphe)일 수 있음을 언급했다.
다른 접근법: 초끈 이론. 이는 슈바르츠(Caltech), 그린(Queen Mary College), 그리고 노벨상 수상자 압두스 살람(Trieste 이론 물리학 센터 소장, 런던 임페리얼 칼리지 교수)이 제시한 제안들이다.
출발점: 군과 E8 x E8 모델. 참고 문헌: "Superstrings, a theory of everything ? ". PC.W.Davis & J.Brown, Cambridge University Press 1988.
존 슈바르츠:
두 번째 E8 대칭은 흔히 그림자 물질(shadow matter)이라고 불리는 다른 종류의 물질을 지칭한다. 이 구성 요소로 형성된 물체는 우리에게 완전히 보이지 않을 것이다.
마이클 그린:
이러한 이론들에서 도출되는 예측 중 하나는 우리가 직접 관측할 수는 없지만 중력을 통해 우리 물질과 상호작용할 수 있는 새로운 유형의 물질에 관한 것이다. 다만, 그림자 물질 입자들은 다른 힘들을 통해 서로 상호작용할 수 있다.
압두스 살람:
초끈 이론에서 우리 우주의 쌍인 일종의 우주가 도출되는데, 이 우주는 중력력을 통해서만 우리 우주와 통신할 수 있다. 흥미로운 점은 이 우주가 우리 우주에서 초대칭이 어떻게 깨지는지를 결정하며, 다양한 입자 질량의 특정 값에 대해 빛을 던져줄 수 있다는 것이다.
하지만 현재로서는 그 이상 진전되지 않았다. 초끈 이론 역시 마찬가지다.
...이와 관련하여, 서로 밀접하게 얽혀 있으면서도 오직 중력을 통해서만 통신하는 두 우주를 어떻게 표현할 수 있을까? 필터 안경을 쓴 두 쌍의 플레이어들을 상상해 볼 수 있다. 그들은 상대방 팀의 말을 볼 수 없을 것이다. 반면, 각 팀은 "부드러운 체스판" 위에 가까운 상대방 말이 존재함을 짐작할 수 있을 것이다:
...물질의 말(검은 칸에서 진행되는 게임)은 "유령 게임"에 속한 퀸을 보지 못하지만, 체스판에 만드는 곡률(중력)을 통해 그 존재를 감지한다. 아래 참조:
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