인류를 수천 년 동안 괴롭혀온 질문에 대해, 사우샘프턴 대학과 인도 공과대학 칸푸르의 두 연구자가 물리학자들이 수십 년간 정중히 무시해온 입자, 즉 '분리된(decoupled)' 무거운 중성미자를 포함한 답을 제시했다. Physical Review Letters에 발표된 이 이론은 이 간과된 중성미자의 친척이 왜 물질이 빅뱅 이후 살아남고 반물질은 그렇지 않았는지에 대한 결정적 요인이었을 수 있다고 시사한다.

문제는 간단하지만 존재론적으로 충격적이다: 초기 우주는 물질과 반물질을 거의 같은 양으로 생성했다. 둘이 만나면 에너지 폭발과 함께 서로 소멸한다. 양이 완벽하게 균형을 이루었다면, 거의 모든 물질이 사라져 별도, 행성도, 더 중요한 것은 별과 행성의 부재를 숙고할 사람도 없었을 것이다.

여기서 분리된 무거운 중성미자가 등장한다. 이는 일반 중성미자의 가상의 더 무거운 사촌으로, 이미 극도로 가볍고 일반 물질과 거의 상호작용하지 않는 것으로 유명한 입자다. '분리된' 변종은 일반적으로 다른 입자와 너무 약하게 연결되어 있어 어떤 중요한 영향도 미칠 수 없다고 여겨져 왔다. 수십 년 동안 그것은 입자물리학의 배경 엑스트라 같은 존재였다.

그러나 새로운 계산에 따르면, 이 입자의 비정상적으로 긴 수명이 계산을 바꾼다. 이 입자는 빅뱅 이후 우주가 냉각되는 동안 잠시 우주의 에너지 밀도를 지배할 만큼 오래 살아남아, 초기 우주의 진화 방식을 바꾼 물질 지배 시기를 촉발했을 수 있다.

연구 저자인 사우샘프턴 대학의 리샤브 로샨 박사는 명확하게 말했다: "이 분리된 무거운 중성미자는 오랫동안 입자물리학에서 무관한 배경 세부사항으로 치부되어 왔다. 그러나 그것은 믿을 수 없을 정도로 느리게 붕괴한다. 빅뱅 이후 우주가 냉각되면서, 이 입자는 우주의 에너지 밀도를 일시적으로 차지하고 물질 지배 시기를 촉발할 만큼 오래 살아남았다."

물질-반물질 비대칭을 설명하려는 이전 시도들은 일반적으로 이 입자를 완전히 배제했는데, 그럴듯한 이유는 너무 약하게 상호작용하는 것이 불균형을 만드는 과정에 영향을 미치기 어렵다는 것이었다. 새로운 연구는 그 가정에 도전하며, 극도로 약한 상호작용을 가진 입자조차 물질이 결정적 우위를 얻은 조건에 간접적으로 영향을 미칠 수 있음을 발견했다.

로샨은 덧붙였다: "우리가 여기 존재한다는 사실 자체가 물질과 반물질 사이에 비대칭이 발생했음을 증명한다. 분리된 중성미자는 초기 우주에서 전자와 다른 렙톤 같은 기본 입자가 표준 모형 힉스 보존의 도움으로 반입자와 상호작용하는 온도를 변화시켰다. 이 온도는 물질-반물질 불균형이 어떻게 구축되었는지를 형성하는 스위치와 같은 역할을 한다."

힉스 보존은 많은 기본 입자에 질량을 부여하는 메커니즘과 관련된 기본 입자다. 연구자들의 시나리오에서, 무거운 중성미자는 힉스와 관련된 핵심 입자 상호작용을 지배하는 온도 조건을 변화시켜, 사실상 그 상호작용이 발생하는 시기를 이동시키고 불균형이 발전하는 방식에 영향을 미쳤다. 다시 말해, 오랫동안 중요하지 않다고 여겨진 무언가가 우주에 물질이 존재하는 이유를 결정하는 데 도움을 주었을 수 있다.

이 이론은 또한 우주가 초기 단계에서 어떻게 팽창했는지에 대한 함의를 가진다. 공동 저자인 인도 공과대학 칸푸르의 수딥타 쇼 박사는 이 발견이 잊힌 입자가 젊은 우주의 팽창 역사를 극적으로 바꿨을 수 있음을 시사한다고 말했다. "그것은 물질이 어떻게 승리했는지에 대한 새로운 설명을 제공한다"고 그는 말했다. "초기 우주 팽창의 극적인 변화는 원시 중력파 등에 변화의 뚜렷하지만 감지 가능한 흔적을 남긴다. 이러한 중력파 신호는 우리가 풀어낼 새로운 길을 열어준다."