3.11 원시 핵합성에서의 리튬-7 수수께끼: 장력 재교정과 배경 잡음 주입에 의한 이중 보정

목차 ／ 제3장: 거시적 우주

I. 용어와 범위

본 절에서는 리튬-7의 부족 현상을 에너지 실( Energy Threads) 과 **에너지 바다( Energy Sea)**의 구도로 설명합니다. 초기 우주에서는 **일반화 불안정 입자( GUP)**가 짧은 수명 동안 중첩되어 배경 지형을 만듭니다. 이를 **통계 텐서 중력( STG)**이라 부릅니다. 더불어 이들이 붕괴·소멸할 때 생기는 약한 파동 꾸러미가 국소의 미세한 결을 더하는데, 이를 **텐서 배경 잡음( TBN)**이라 합니다. 이후부터는 위 명칭의 한국어 표기만 사용합니다. 또한 빅뱅 원시 핵합성( BBN) 과 **우주 마이크로파 배경( CMB)**을 참조하되, 초출 이후에는 한국어 명칭만 씁니다.

II. 관측 격차와 과제

금속이 빈약한 고령 별의 대기(스파이트 평원)에서 측정된 리튬-7은 표준 원시 핵합성 계산값보다 낮게 나타나는 경향이 있습니다. 결손의 규모는 표본과 보정법에 따라 다르지만 대체로 ‘한 자리수 배’ 수준입니다. 반면 같은 우주론과 핵반응률을 쓰면 헬륨-4 질량비와 중수소/수소 비는 관측과 잘 부합합니다. 따라서 이 성공들을 해치지 않고 리튬-7만 낮추기는 어렵습니다.

• 별 표면의 소모 가설은 넓고 유사한 폭의 감소를 설명해야 하며, 리튬-6·철 등의 지표와 모순되지 않아야 합니다.
• 핵반응 단면의 정밀화는 중요하지만, 리튬-7만 단독으로 관측 구간에 맞추기에는 한계가 있습니다.
• 이른 시기의 새로운 입자 주입을 상정한 시나리오는 산물의 스펙트럼·존재량·수명에 정밀한 미세 조정을 요구하며, 중수소와 우주 마이크로파 배경 스펙트럼을 교란하지 않아야 합니다.

III. 물리 메커니즘(‘이중 보정’: 장력 재교정 + 배경 잡음 주입)

• 장력 재교정: ‘시계’와 ‘창’을 조용히 다시 맞춥니다.
  에너지 바다가 조밀한 국면에서는 매질의 장력 정도가 미시 반응의 진행 시계와 냉각 시계의 상대 눈금을 소폭 재조정합니다. 이는 시간축을 균일하게 조금 늘리는 것과 같습니다. 반응 형태나 무차원 상수는 바뀌지 않습니다. 핵심 구간은 둘입니다. 첫째, 초 단위의 중성자/양성자 동결 구간에서는 헬륨-4 기준을 지키기 위해 조정폭이 극히 작아야 합니다. 둘째, 수백~수천 초 구간, 즉 ‘중수소 병목’이 열리고 베릴륨-7이 형성되기까지의 동안입니다. 이때 베릴륨-7은 냉각 템포와 반응 중첩 시간에 매우 민감합니다. 점화/정지 타이밍을 조금만 앞뒤로 옮겨도 최적 생성 창이 좁아지거나 이동하여 순생성이 줄어듭니다. 비유하면 레시피는 같지만 오븐 타이머를 약간 움직여 ‘딱 맞는 순간’이 조금 앞서거나 늦어지는 셈입니다.
• 배경 잡음 주입: 매우 드물고 짧으며 선택적인 ‘마무리 손질’입니다.
  초기의 고밀 환경에서는 일반화 불안정 입자가 빠른 주기로 생겨났다 사라집니다. 붕괴로 생긴 광대역·저코히어런스 파동은 거의 즉시 열평형화되어 열사에 흡수됩니다. 그럼에도 통계적으로는 극히 드물지만 타이밍이 맞는 미세 주입이 일어날 수 있습니다. 베릴륨-7이 우세한 시기에 아주 적은 양의 중성자나 좁은 대역의 연한 광자를 주입하면 베릴륨-7이 선별적으로 깨지기 쉽고, 중수소와 헬륨-4는 거의 영향받지 않습니다. 예를 들어, 중성자 경로(Be-7(n,p)Li-7 뒤이어 Li-7(p,α)He-4)는 최종 리튬-7을 낮춥니다. 연한 광자 경로는 약하고 짧은 협대역 스펙트럼으로 Be-7/Li-7의 취약한 흡수 창을 공략하여 중수소를 ‘과열’하지 않고 베릴륨-7만 ‘정리’합니다. 강도와 지속시간은 CMB의 μ/y 왜곡 및 경원소 수지에 대한 현재 상한을 충분히 밑돌아야 합니다. 전체 시나리오를 바꾸지 않고 외과적 미조정에 머무는 것이 핵심입니다. 요리로 치면, 접시를 내기 직전에 작은 칼집으로 불필요한 볼록함만 살짝 눌러 고르게 만드는 정도입니다.
• 상호 보강: 먼저 시계를 맞추고, 다음에 가벼운 밀어주기를 합니다.
  장력 재교정은 베릴륨-7 생성 창을 좁히거나 위치를 옮겨 기저 생성량을 내립니다. 이어지는 배경 잡음 주입은 남은 베릴륨-7을 추가로 줄입니다. 그 결과 리튬-7은 관측 대역에 들어오고, 중수소와 헬륨-4의 합치는 유지됩니다.

IV. 매개변수와 안전 울타리(기존 합치를 지키기 위해)

• 초 단위 타이밍 조정은 엄격히 제한하여 헬륨-4 질량비의 안정성을 확보합니다.
• 주입의 시간 창·스펙트럼·강도는 중수소 파괴 임계를 피해야 합니다.
• 허용 가능한 주입은 CMB의 μ/y 왜곡 상한을 충분히 밑돌아야 하며, 남더라도 극히 미약한 흔적이어야 합니다.
• 동위원소 부수 효과로 리튬-6/리튬-7 비와 헬륨-3에서 작은 공조 편차가 나타날 수 있습니다. 발견되더라도 대폭 개편의 신호가 아니라 ‘가벼운 레터치’의 증거여야 합니다.
• 무차원 상수와 상호작용 형태는 불변입니다. 장력 재교정은 어디까지나 작은 시간 조정에 해당합니다.

V. 검증 가능한 신호와 점검 경로

CMB 스펙트럼의 왜곡은 ‘거의 0’일 것으로 예상됩니다. 더 민감한 분광 관측이 μ/y 상한을 추가로 조일 것입니다. 예측 신호는 현행 임계 아래, 0에 매우 가깝지만 정확히 0은 아닙니다. 또한 장력 재교정이 주된 요인이라면, 스파이트 평원의 값은 대규모 환경(필라멘트·노드·보이드) 간에 극히 작은 계통차를 보일 가능성이 있습니다. 이는 대규모 표본에서만 통계적으로 검출될 것입니다. 베릴륨-7 파괴의 방증으로 리튬-6/리튬-7 비와 헬륨-3의 약한 공조 편차를 찾되, 후기의 별 내부 과정에서 오는 신호와는 꼼꼼히 분리해야 합니다. 배경 잡음 주입이 실제로 있었다면 그 통계적 세기는 초기 우주 활동도와 약하게 공변하며, 다른 절에서 설명하는 확산적 베이스라인 상승상과 합치합니다.

VI. 기존 접근과의 관계

입자 주입을 주역으로 삼는 전통적 안은 스펙트럼·수명·존재량의 미세 조정을 전제합니다. 본 문맥에서는 장력 재교정(타이밍 맞춤)이 주역을 맡고, 주입은 매우 약한 부차 효과로 물러납니다. 그 결과 과도한 매개변수 자유도와 미세 조정 압력이 크게 완화됩니다. 늦고 온건한 별 표면 소모는 배제하지 않지만 단일 해석으로 필요하지는 않습니다. 있더라도 이중 보정을 가볍게 다듬는 수준입니다. 이 틀은 핵반응률의 지속적 정밀화와도 양립합니다. 최신 반응 데이터로는, 적절한 재교정과 선택적 레터치를 함께 인정하는 것만으로도 다른 성과를 해치지 않고 ‘끈질긴 리튬-7 과잉’을 해소할 수 있습니다.

VII. 비유

오븐 타이머 + 정밀 한 칼집. 장력 재교정은 타이머를 조금 움직여 이상적 부풀기 창을 옮깁니다. 배경 잡음 주입은 상차림 직전의 빠른 칼집으로 리튬-7의 과도한 봉우리만 평탄하게 만듭니다. 케이크 본체—헬륨-4와 중수소—는 그대로입니다.

VIII. 요약

• 리튬-7 수수께끼는 초기 우주 전체의 재서술이 아니라, 타이밍과 미세 주입에 대한 표적화된 작은 보정을 요구합니다.
• 장력 재교정은 원시 핵합성의 온/오프 주기를 약간 앞뒤로 옮겨, 리튬-7을 공급하는 베릴륨-7 경로를 선택적으로 약화합니다.
• 알맞은 순간에 짧고 선택적으로 가하는 텐서 배경 잡음은 중수소와 헬륨-4를 건드리지 않고 베릴륨-7을 더 줄입니다.
• 두 보정을 겹치면 BBN의 주된 성과를 지키면서 검증 가능한 경로가 열리며, 일반화 불안정 입자·통계 텐서 중력·텐서 배경 잡음을 잇는 인과 고리와도 정합됩니다.