| 우주에서 가장 위험한 존재 - 기묘한 별 |
1. 개요
Strangelet기묘체(奇妙體)는 천체물리학과 입자물리학에서 예견하는 미지의 물질이다. 일반 물질이 평균적으로 위 쿼크와 아래 쿼크로 이루어진 것과는 달리, 기묘 쿼크(Strange Quark)를 지니고 있는, 위 쿼크와 아래 쿼크, 기묘 쿼크가 모인 집합체다. 그 크기는 작게는 수 펨토미터에서 크게는 수 미터에 이를 것으로 추정된다.
1984년 에드워드 위튼과 파리와 재프가 처음 제안하였다.[1][2] 쿼크 너겟(quark nuggets), 뉴클리어라이트(nuclearite) 혹은 strange quark matter (SQM) 라고도 불린다.
2. 상세
질량이 큰 중성자별의 철로 된 지각 아래에 존재할 것으로 추측되지만, 어디까지나 예측에 지나지 않는다. 일단 위 쿼크와 아래 쿼크, 기묘 쿼크가 1:1:1로 모인 [math(\Lambda^0)] 바리온으로 예측해 보면 [math(\Lambda^0)]의 특성상, 그 전기전하는 중성(위 쿼크의 +2/3, 아래 쿼크와 기묘 쿼크의 -1/3이 전기전하를 상쇄), 기묘도는 -1이지만, 고온고압상태인지라, [math(\Lambda^0)]끼리가 서로 반쯤 융합한, 쿼크와 글루온의 바다에 가까운 상태라고 추측된다.이론적으로는 중성자별의 초고온고압 상황에서, 일반 물질들의 위 쿼크와 아래 쿼크가 높은 에너지에서 안정화 되기 위해서 일부가 기묘 쿼크로 변경되기 때문에 안정적으로 존재할 수 있다고 한다. 단, 기묘 쿼크의 특성상 약한 상호작용에 의해서 자연적으로 베타붕괴와 비슷한 과정을 거쳐서 보다 안정적인 위 쿼크로 붕괴하게 되므로 기묘체를 형성하지 않는 상황에서는 기묘 쿼크는 안정적으로 존재할 수 없다.[3] 쿼크끼리의 상호작용으로 인해 기묘체가 안정적으로 존재하여 암흑물질을 이루고 있다는 가설도 있다.[4]
이 물질은 이론적으로 예측된 성질이 상당히 위험한데, 접촉한 다른 양성자나 중성자의 쿼크와 약한 상호작용으로 상호작용을 해서 물질을 강제적으로 기묘체로 변경하는 성질을 가진다고 한다. 생물학에서 연구하는 병원체 중 하나인 변형 프리온과 비슷하다고 볼 수 있다. 기묘체가 안정하고 음전하를 가지고 있다면 일반 물질을 끌여들어 모두를 기묘체로 만들 가능성이 있긴 하지만 그럴 가능성은 낮은 것으로 알려져 있다. 다만 위의 영상에서는 기묘체별이 붕괴하면서 그 파편이 기묘체의 성질을 지닌 것으로 묘사하고 있지만, 높은 에너지에서 안정화되기 위해 쿼크가 기묘 쿼크로 변화한다는 점은 반대로 말하면 에너지 준위가 낮아지면 다시 약한 상호작용에 의해 위 쿼크로 붕괴하기 때문에 걱정할 필요는 없을 것으로 보인다.
2020년 6월 헬싱키 대학 연구원들이 Nature Physics에 이 물질이 실재할 확률이 높다는 연구결과를 발표했다. 그러나 우주에서 가장 극단적인 환경에서만 존재할 수 있기 때문에 접근하거나 육안으로 관찰하는 것은 마치 블랙홀의 특이점에 대해 그렇게 하는 것만큼이나 어려울 것이다.
[1] E. Farhi and R. Jaffe, "Strange Matter", Phys. Rev. D 30, 2379 (1984).[2] E. Witten, "Cosmic Separation Of Phases" Phys. Rev. D 30, 272 (1984)[3] 정확히는 [math(\Lambda^0)]는 [math(W^-)]를 방출하고 양성자로 붕괴하며, 이때 방출되는 [math( W^- )]는 대부분이 [math(\pi^-)]로 붕괴하는게 예측되어 있다. 또한, 낮은 확률이지만 [math(W^-)]가 베타붕괴와 동일하게 전자와 양전자-중성미자로 붕괴되는 것도 예측되어 있다.[4] Atreya et al.,"Reviving quark nuggets as a candidate for dark matter", Phys.Rev. D90 045010 (2014)