Leptogenesis and Planck-scale black hole remnants in a Pati-Salam cosmology

우주는 현대 물리학이 아직 해결하지 못한 두 가지 거대한 미스터리로 가득 차 있습니다. 첫 번째는 왜 물질이 반물질보다 더 많은가 하는 점입니다. 빅뱅 직후 초기 우주에서는 물질과 반물질이 동일한 양으로 생성되어 서로를 소멸시키고 순수한 빛의 바다만을 남겼어야 했습니다. 그러나 우리는 존재합니다. 무언가가 저울의 균형을 깨뜨려, 결국 별과 행성, 그리고 우리를 형성하게 된 아주 미세한 물질의 잉여분을 만들어냈습니다. 두 번째 미스터리는 암흑 물질입니다. 천문학자들은 우주의 약 4분의 1이 은하를 하나로 묶어주는 보이지 않는 물질로 이루어져 있다는 사실을 알고 있지만, 그 누구도 그 입자를 직접 본 적이 없으며 그것이 무엇으로 구성되어 있는지도 알지 못합니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 두 가지 난제를 각각 설명하기 위해 복잡한 새로운 입자나 힘을 제안해 왔습니다. 하지만 최근의 한 연구는 이 두 문제에 대한 해답이 모두 동일한 기묘하고 작은 물체, 즉 원시 블랙홀에 있을 수 있다고 제안합니다.

이들은 붕괴하는 별에서 형성되는 은하 중심의 거대 블랙홀이 아닙니다. 대신, 이들은 초기 우주의 밀도 요동에 의해 빅뱅 직후 찰나의 순간에 형성되었을 수 있는 미세한 블랙홀들입니다. 만약 이들이 존재한다면, 이들은 매우 작아서 일부는 무게가 1그램도 채 되지 않을 것이며, 현재 '호킹 복사'라고 알려진 과정을 통해 에너지를 방출하며 증발하고 있을 것입니다. 한 연구팀은 이 작은 블랙홀들이 어떻게 우주의 '코스믹 팩토리(cosmic factories)' 역할을 하여 물질 중심의 우주를 만드는 데 필요한 무거운 입자들을 생산하는 동시에, 오늘날 우리가 보는 암흑 물질을 구성하는 안정적인 잔해를 남길 수 있는지 보여주는 새로운 모델을 구축했습니다.

연구진은 '파티-살람(Pati–Salam) 모델'이라는 특정 이론적 틀 안에서 연구를 진행했습니다. 이는 자연의 기본 입자들을 정리하는 방식으로, 오른쪽 방향의 중성미자(우리가 익숙하게 아는 중성미자의 무겁고 보이지 않는 사촌 격인 존재)를 우주의 구조에 선택적인 추가 요소가 아닌 필수적인 부분으로 취급합니다. 이 모델에서 이러한 무거운 중성미자의 존재는 자연의 힘들이 갈라지는 특정 에너지 규모와 연결되어 있습니다. 연구팀은 단순하지만 어려운 질문을 던졌습니다. 원시 블랙홀의 증발이 물질-반물질 불균형을 생성하는 데 필요한 무거운 중성미자를 제공할 수 있는가, 그리고 블랙홀 자체가 암흑 물질 역할을 하는 잔해를 남길 수 있는가 하는 점이었습니다.

이를 위해 그들은 블랙홀의 생애 주기를 시뮬레이션했습니다. 그들은 급격한 인플레이션(급팽창)이 시작되기 전에 이미 힘들이 이미 분리된 상태의 우주에서 시작하여, 위험한 자기 홀극들이 희석되도록 했습니다. 그런 다음 특정 질량 범위를 가진 원시 블랙홀 집단을 도입했습니다. 블랙홀이 증발함에 따라 입자들을 내뿜게 될 것입니다. 만약 블랙홀이 충분히 뜨겁다면, 무거운 오른쪽 방향 중성미자를 방출할 것입니다. 이 중성-미자들은 이후 물질의 과잉을 만들어내는 방식으로 붕식될 것이며, 이 과잉분은 결국 모든 가시적 물질을 구성하는 바리온(양성자와 중성자)으로 전환될 것입니다.

연구 결과, 이 과정은 작동하지만 매우 특정한 조건 하에서만 가능하다는 것을 발견했습니다. 연구진은 블랙홀의 질량에 따른 뚜렷한 경계를 발견했습니다. 만약 블랙홀이 약 100그램 이하로 매우 가볍다면, 무거운 중성미자를 직접 방출할 만큼 충분히 뜨거울 것입니다. 이는 우주가 극도로 뜨거울 필요 없이 물질 비대칭을 생성하는 '비열적(non-thermal)' 소스를 만들어낼 것입니다. 그러나 이 시나리오는 암흑 물질을 고려할 때 벽에 부딪힙니다. 만약 이 가벼운 블랙홀들이 완전히 증발한다면 아무것도 남기지 못할 것입니다. 하지만 양자 중력이 증발 직전에 증발을 멈추어 아주 작은 안정적인 '잔해(remnant)'를 남긴다고 가정한다면, 수학적 계산이 무너집니다. 연구는 만약 블랙홀이 이런 방식으로 물질 비대칭을 만들 만큼 충분히 가볍다면, 남겨진 잔해들이 너무 많아져서 관측되는 것보다 훨씬 많은 양의 암흑 물질으로 우주를 가득 채우게 된다는 것을 보여줍니다. 이 특정 시나리오에서는 물질을 만드는 것과 암흑 물질을 만드는 것, 이 두 가지 목표를 동시에 달 수 없습니다.

저자들이 찾은 해결책은 약간 더 무거운 블랙홀에 있었습니다. 만 만약 원시 블랙홀의 무게가 약 100만 그램 정도라면, 이들은 상대적으로 차가워서 스스로 무거운 중성미자를 효율적으로 방출할 수 없습니다. 대신, 무거운 중성미자는 초기 우주의 뜨거운 플라스마에 의해 생성됩니다. 이때 블랙홀은 다른 역할을 수행합니다. 즉, 증발하면서 우주에 엄청난 양의 엔트로피, 즉 무질서를 쏟아붓습니다. 이 과정은 이미 생성된 물질 비대칭을 희석시키지만, 이를 파괴하지는 않습니다. 결정적으로, 이 더 무거운 블랙홀들이 마침내 증발할 때 안정적인 잔해를 남깁니다. 블랙홀이 더 무겁기 때문에, 이들이 남기는 잔해의 수는 훨씬 적습니다. 연구는 초기 질량이 약 100만 그램인 블랙홀의 경우, 남겨진 잔해의 수가 관측된 우주의 암흑 물질 양과 완벽하게 일치한다는 것을 계산해 냈습니다.

이 약 100만 그램이라는 단일 질량 값은 '스위트 스폿(sweet spot, 최적의 지점)' 역할을 합니다. 이는 잔해가 우주를 과도하게 채우지 않을 만큼 충분히 무거우면서도, 블랙홀이 충분히 빨리 증발하여 자연의 힘들이 얼어붙기(freeze out) 전 우주의 자연스러운 메커니즘에 의해 물질 비대칭이 처리될 수 있을 만큼 가볍습니다. 연구진 또한 이 시나리오가 뚜렷한 지문을 남긴다는 점에 주목했습니다. 초기 우주에 존재하는 이 블랙홀들의 무작위적인 분포는 시공간에 파동을 일으켜 중력파의 배경 소음을 생성했을 것입니다. 이 파동은 '아인슈타인 망원경(Einstein Telescope)'과 같은 미래의 탐지기가 들을 수 있는 주파수를 가질 것입니다. 또한, 블랙홀의 마지막 순간에 발생하는 중력자(graviton)의 직접적인 방출은 우주의 복사 밀도에 기여할 것이며, 이는 미래의 우주 배경 복사 실험을 통해 매우 정밀하게 측정될 수 있는 양입니다.

논문은 블랙홀을 사용하여 물질과 암흑 물질의 문제를 모두 해결하려는 아이디어가 매력적이긴 하지만, 이것이 보편적인 해결책은 아니라고 결론짓습니다. 이 모델은 가장 가벼운 블랙홀들이 단독으로 이 일을 수행할 가능성을 배제합니다. 대신, 우주가 오늘날 우리가 보는 모습 그대로를 만들어낼 수 있도록 조정되었을 수 있는 매우 좁고 구체적인 블랙홀 질량 구간을 가리킵니다. 이 모델은 양자 중력이 블랙홀의 증발을 플랑크 척도(Planck scale)에서 멈추게 하여 안정적인 잔해를 남긴다는 가정을 전제로 합니다. 만약 이 가정이 유효하다면, 암흑 물질의 존재와 물질 중심의 우주의 기원은 하나의 동전의 양면처럼, 특정 집단의 원시 블랙홀 증발 속에서 함께 빚어진 것입니다. 이 연구 결과는 차세대 중력파 및 우주 배경 실험이 이 우아한 연결 고리를 확인하거나, 혹은 우주의 어두운 면에 대한 다른 설명을 찾도록 강요할 것임을 시사합니다.