연구자들이 암흑물질 생성을 시도하다

[힘힘]

연구자들이 암흑물질 생성을 시도하다

포착하기 어려운 입자에 대한 사냥은 계속됩니다.

우주의 암흑물질 발판을 보여주는 허블의 3D 지도.

주요 시사점

• 암흑 물질이 존재하지만 과학자들은 그것이 무엇으로 구성되어 있는지 모릅니다.  
• 액시온(Axions)은 암흑물질 입자 후보이지만 아직 발견된 적이 없습니다. 최근 실험에서는 "무거운 액시온"의 존재에 의문을 제기했습니다.
• 암흑 물질 이론을 배제하는 것은 진전입니다. 자동차 열쇠를 분실한 경우, 각 방을 살펴보고 제외하면 차 열쇠를 두고 온 방을 더 가까이 찾을 수 있습니다.

돈 링컨

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연구원들이 Facebook에서 암흑 물질 생성을 시도합니다.

연구원들이 트위터에서 암흑 물질 생성을 시도합니다(X)

연구원들이 LinkedIn에서 암흑 물질 생성을 시도합니다.

우울한 소리는 아니지만 우리는 어두운 우주에 살고 있습니다. 미국 남서부 고산지대의 밤하늘이 아무리 밝음에도 불구하고, 수십억 개의 별과 은하수는 우주에 있는 물질의 아주 작은 부분에 불과합니다. 암흑물질 이라고 불리는 알려지지 않은 물질은 원자라는 친숙한 물질보다 5배나 더 널리 퍼져 있습니다.

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강한 핵력은 원자핵을 하나로 묶는 힘이다. 그 행동을 설명하는 이론은 강한 힘이 물질과 반물질을 다르게 취급할 수 있다고 말하지만, 정확한 측정에서는 차이가 없음을 보여줍니다. 누구나 판단할 수 있는 한, 강한 힘은 물질과 반물질을 동일하게 취급합니다.

“금지되지 않은 것은 모두 의무적이다”라는 전체주의 원칙이라는 원칙이 있습니다. 원래 정치적인 환경에서 만들어진 이 격언은 물리학계에서 받아들여졌습니다. 본질적으로, 일어날 수 있는 모든 일이 일어날 것이라는 의미입니다. 그렇지 않은 경우에는 가능한 동작을 금지하는 물리적 현상이 있는 것입니다. 그렇다면 강한 힘이 물질과 반물질에 대해 다르게 상호 작용하는 것을 방지하는 것은 무엇입니까?

그 질문에 대한 답은 알려져 있지 않지만, 1977년에 로베르토 페체이(Roberto Peccei)와 헬렌 퀸(Helen Quinn)은 물질과 반물질 사이의 차이를 허용하는 강력한 힘의 능력을 정확하게 균형잡는 이론을 제안했습니다. 이 이론의 한 가지 결과는 액시온이라는 입자의 존재를 예측했다는 것입니다. 액시온은 질량이 매우 작고, 전기적으로 중성이며, 빅뱅의 첫 순간에 엄청난 양이 생성되었을 것입니다. 따라서 액시온은 암흑물질 입자 후보이다.

액시온을 찾아서

액시온은 아직 발견되지 않은 상태로 남아 있기 때문에(실제로 존재하지 않을 수도 있음) 그 질량은 알려져 있지 않습니다. 그러나 많은 계산에 따르면 그 질량은 전자 질량의 10억분의 1 수준으로 매우 작아야 합니다. 연구자들은 다양한 기발한 기술을 사용하여 이러한 매우 낮은 질량의 액시온을 찾았지만 이러한 노력은 아무것도 발견하지 못했습니다. 

낮은 질량의 액시온을 찾는 데 실패했다는 점을 고려하여 연구자들은 또 다른 가설을 세웠습니다. 액시온의 질량이 예상보다 더 크다고 가정해 보세요. 예를 들어 전자 질량의 수백에서 수천 배에 이릅니다. 그러한 액시온을 검색하려는 시도가 없었기 때문에 Fermilab의 연구자들은 ArgoNeuT 검출기라는 장치를 사용하여 이를 검색했습니다.

ArgoNeuT 검출기는 중성미자 상호작용을 연구하기 위해 중성미자 빔에 배치된 1/4톤의 액체 아르곤을 사용합니다. 이러한 더 무거운 액시온이 존재한다면 ArgoNeuT 검출기에서 한 쌍의 뮤온 입자로 붕괴될 수 있습니다. 뮤온은 기본적으로 중전자이며 관찰하기가 매우 쉽습니다. 연구자들은 Fermilab 가속기를 사용하여 1,250억(1.25 × 10 20 )개의 고에너지 양성자를 목표물에 충돌시켜 연구할 수 있는 엄청난 수의 중성미자를 만들었습니다.

연구자들은 만약 액시온이 존재하지 않는다면 적절한 특성을 지닌 두 개의 뮤온이 생성되는 경우는 1개 미만일 것이라고 계산했습니다. 실험을 수행했을 때 필요한 2뮤온 생성 사례는 관찰되지 않았습니다. 측정값이 액시온 없는 예측과 일치했다는 사실은 ArgoNeuT 검출기에서 액시온이 관찰되지 않았음을 의미합니다. 이를 통해 연구자들은 두 개의 뮤온으로 붕괴되는 무거운 액시온이 생성될 가능성을 배제할 수 있었습니다.

실패가 성공을 의미할 때

현상을 관찰하지 못하는 것은 무언가를 관찰하는 것만큼 흥미롭지 않지만 실험은 여전히 ​​성공했습니다. 연구자들은 암흑 물질이 존재하고 매우 가벼운 암흑 물질이 천문학자들의 관찰을 설명할 수 있다고 믿고 있으므로 모든 가능성을 조사하는 것이 중요합니다. 결국 암흑물질 이론을 배제하는 것은 진전이다. 자동차 열쇠를 분실한 경우, 각 방을 살펴보고 제외하면 차 열쇠를 두고 온 방을 더 가까이 찾을 수 있습니다.

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입자물리학

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그리고 수십 년간의 노력에도 불구하고 암흑물질의 존재에 대한 직접적인 증거는 발견되지 않았으며, 이로 인해 과학자들은 암흑물질이 무엇인지에 대해 폭넓게 생각하게 되었습니다. 이제 강력한 입자 가속기를 사용하여 페르미 국립 가속기 연구소 (Fermilab)의 연구원들은 매우 가벼운 형태의 암흑 물질을 만들려고 시도했으며 최근 그 결과를 발표했습니다 .

소름 끼치는 우주가 아니다

수십 년 동안 연구자들은 암흑 물질을 양성자보다 질량이 수백 배, 심지어 수천 배 더 무거운 안정적이고 전기적으로 중성인 아원자 입자로 상상해 왔습니다. 이 암흑 물질 입자는 일반 물질과 매우 약하게 상호 작용하며 아마도 중력만 경험할 수 있습니다. 이러한 가상 입자를 WIMP (약하게 상호작용하는 거대 입자)라고 합니다. 같은 수십 년 동안 해당 모델을 검증하거나 위조하려는 많은 노력이 있었지만 WIMP는 발견되지 않았습니다 .

WIMP를 찾는 데 실패하자 일부 연구자들은 다른 대안을 고려하게 되었습니다. 암흑물질이 훨씬 더 가벼워지면, 예를 들어 수십억 배 더 가벼워진다면 어떨까요? 이 추측은 극단적인 것처럼 보이지만, 또 다른 양자 미스터리를 조사하는 연구자들은 다른 가능한 암흑 물질 입자를 예측하는 이론을 개발했습니다. 이 암흑 물질 후보를 액시온( axion) 이라고 합니다 .

반물질과 액시온

반물질 은 일반 물질과 반대되는 물질로 둘이 잘 공존하지 않습니다. 반물질과 그에 상응하는 물질 형태를 결합하면 소멸됩니다. 예를 들어, 양성자, 중성자 및 전자의 반물질 버전과 같이 알려진 모든 아원자 입자와 동등한 반물질이 관찰되었습니다. 과학자들은 소수의 반물질 원자도 만들었습니다.