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2015년 헝가리의 핵물리학자 팀은 불안정한 베릴륨-8의 방사성 붕괴로 인한 신호의 비정상적인 요철을 보고했는데, 이는 전자 질량의 34배인 추정되는 새로운 입자에 해당합니다. 당시에는 대체로 간과되었지만, 1년 후 미국 이론가들은 이것이 암흑 물질이 느끼는 새로운 힘을 가리킬 수 있다고 제안하면서 신비한 물질이 이전에 믿었던 것보다 더 복잡하다는 것을 암시했습니다 (2). 암흑 물질에 대한 생각은 진화하고 있습니다.
1990년대 후반부터 대부분의 연구원들은 암흑 물질이 아마도 약하게 상호 작용하는 거대 입자(WIMP)로 구성되어 있을 것이라고 가정했습니다. 즉, 유리 창문을 통해 빛처럼 정상적인 물질을 통과하는 유령 같은 가상의 물체입니다. 완벽하게 윔프와 유사한 특성을 가진 실체는 알려진 모든 입자와 힘의 상호 작용을 설명하는 현재 프레임워크인 표준 모델을 확장하는 인기 있는 이론인 초대칭에서 나타납니다. 그러나 이러한 윔프를 찾는 실험은 지금까지 공허한 것으로 드러났고, 대형 강입자 충돌기는 초대칭성의 어떠한 징후도 드러내지 못했습니다.
초대칭 윔프가 암흑 물질의 가장 선호되는 후보로 남아 있지만, 그들의 출현이 일부 과학자들로 하여금 그들의 존재를 의심하기 시작하고 수많은 새로운 모델을 탐구하게 만들었습니다. 몇몇 물리학자들은 다른 종류의 입자, 즉 축이온으로 알려진 초경량 물체로 눈을 돌리고 있습니다. 다른 사람들은 각각 어두운 원자와 어두운 분자로 결합하고 어두운 광자를 방출할 수 있는 독특한 특성을 가진 많은 뚜렷한 암흑 물질 입자가 있을 수 있다고 제안합니다. "입자에서 입자와 힘을 가진 섹터로의 일반화는 실제로 수문을 열었습니다,"라고 어바인 캘리포니아 대학의 입자 물리학자 조나단 펑은 말합니다.
새로운 기술은 이러한 이해하기 어려운 실체를 찾는 방법을 만들어 내고 있습니다. 2017년 3월, 메릴랜드 대학의 워크숍에 참석한 물리학자들은 그러한 실험을 위한 100개 이상의 아이디어를 나열했습니다(3). 일부는 이미 실행 중이며, 다른 일부는 향후 몇 년 내에 데이터를 수집하기 시작할 것입니다.
암흑 물질은 중력 효과 때문에 존재하는 것으로 알려져 있습니다. 은하의 바깥쪽 영역에 있는 별들은 마치 보이지 않는 거대한 질량에 의해 끌려가는 것처럼 보이는 물질을 고려할 때 필요한 것보다 더 빨리 움직이는 것처럼 보입니다. 1970년대 후반에 몇몇 연구자들은 아직 발견되지 않은 안정적인 입자들이 빅뱅 이후의 불타는 조건에서 생성될 수 있다는 것을 깨달았고, 이것은 이 수수께끼를 설명할 것입니다. 비슷한 시기에, 이론가들은 초대칭성에 대한 아이디어를 개발했고 중성미자로 알려진 가장 가벼운 초대칭성 입자가 우연히 이상적으로 들어맞았다는 것을 깨달았습니다.
초기 우주의 입자 수프에서 중성미자는 계속해서 서로 충돌하고 전멸하여 보통 물질을 포함하는 붕괴 생성물을 생성했을 것입니다. 처음에는 일반적인 물질 입자가 충돌하여 암흑 물질을 생성하는 과정도 반대로 진행됩니다. 그러나 우주가 팽창하고 냉각되면서 일반적인 물질 입자는 무거운 중성미자를 만들기에는 에너지가 너무 적었을 것입니다. 그러는 동안 중성미자는 계속해서 만나 전멸할 것입니다. 하지만 중성미자가 서로를 찾을 확률이 낮다면, 오늘날에도 많은 수가 남아있을 수 있습니다.
암흑 물질은 현재 우주의 보통 물질보다 5 대 1의 비율로 더 많은 것으로 생각됩니다. 이 값을 사용하면, 이론가들은 초기 우주에서 중성미자의 상호작용 속도가 얼마나 되었을지 자문할 수 있습니다. 중성미자의 제안된 질량인 양성자의 50배에서 수천 배 사이의 질량을 더함으로써, 계산은 전자기력이나 강한 힘이 아닌 약한 힘을 통해서만 상호작용하는 입자가 현재의 암흑물질 밀도를 정확히 만들어 낼 것이라는 것을 보여주었습니다. 이를 WIMP 기적이라고 하는 우연이라고 합니다.
이 발견 이후, 연구원들은 예상되는 입자를 찾는 영리한 방법을 발명하기 시작했습니다. 그들은 우연한 만남의 가능성을 포착했습니다: 비록 중성미자가 일반적으로 흔적을 남기지 않고 평범한 물질을 통과해야 하지만, 그것은 항상 약한 힘을 통해 원자와 상호작용할 극히 작은 확률이 있습니다.
1980년대 초에 실험자들은 중성미자나 다른 유사한 윔프와 유사한 입자가 결국에는 측정 가능한 반동 신호를 생성하면서, 그들의 입자들 중 하나에 부딪힐 것이라는 희망으로 우주 방사선으로부터 그것들을 보호하기 위해 암흑 물질 탐지 장치를 만들고 깊은 지하에 배치했습니다.
반동 탐지는 목표 핵과 발사체의 질량이 대략 같을 때 가장 잘 작동하기 때문에 세계의 많은 대표적인 암흑 물질 직접 탐지 실험에서 양성자 질량의 131배인 크세논을 사용합니다. 2017년 1월 사우스다코타의 샌포드 지하 연구 시설에서 실험을 실행한 LUX(Large Underground Zenon) 협업은 최종 결과(5)를 발표했습니다. 그들은 암흑 물질의 충돌을 보여주지 않았습니다.
이탈리아 라퀼라 인근 그란사소 국립연구소에서 제논 1톤(XENON1T) 프로젝트를 수행 중인 연구원들은 2017년 5월 18일 윔프가 일반 물질과 얼마나 쉽게 상호 작용하는지에 훨씬 더 민감한 제약 조건을 두고 있습니다(6). 중국 쓰촨성의 중국진핑 지하 연구소의 입자 및 천체물리학적 제논 검출기 팀은 2017년 8월(7) 회의에서 2세대 검출기의 결과를 발표했습니다. 다시, 그들은 아무것도 보지 못했습니다.
아마도, 어떤 사람들은 이 연구원들이 올바른 장소를 찾고 있지 않았다고 제안합니다. 2008년과 2011년 사이에, 몇 가지 직접 검출 실험의 결과는 제논 기반 장치가 볼 수 있는 임계값 아래에서 양성자 질량의 1배에서 10배 사이의 암흑 물질 입자의 존재를 시사하는 것처럼 보였습니다. 그 이후로, 이러한 결과 중 많은 것들이 할인되었습니다. 하지만 이것은 많은 물리학자들에게 경종을 울렸습니다. 암흑 물질 입자가 원래 생각했던 것보다 조금 더 가벼울 수 있을까요? 만약 그러한 입자들이 약한 힘을 사용하여 정상적인 물질과 상호 작용했다면, 그들은 그것들을 찾기 위해 특별히 설계되지 않은 가속기 실험에서 이미 나타났을 것입니다. 그래서 이론가들은 암흑 물질이 양성자, 중성자, 전자로 이루어진 우리의 일상적인 세계에서 이전에 생각했던 것보다 더 멀리 제거되었는지 궁금해하기 시작했습니다.
한편 천문학자들은 왜소은하가 일반적인 윔프 암흑물질을 가정한 우주론적 시뮬레이션에서 예측된 밀도 높은 암흑물질 코어와 달리 부풀어 오른 암흑물질의 헤일로를 가지고 있는 것처럼 보인다는 것을 보여주었습니다. 이러한 팽창은 보이지 않는 물질이 일반적인 가스 분자와 같은 힘을 사용하여 자신과 상호 작용할 수 있다면 일어날 수 있으며, 일부 이론가들은 암흑 물질이 정상적인 원자와 분자와 같은 핵 상태로 결합될 수 있다고 제안합니다. 아마도 그것은 우리가 살고 있는 우주에 거의 완전히 접선하는 힘과 입자 물리학자들이 숨겨진 영역이라고 부르는 그 자체의 입자 덩어리가 있는 세상에 살고 있을 것입니다.
만약 우리가 이 암흑 영역을 발견할 희망이 있다면, 이 새로운 힘들은 일반적인 물질과 어떤 상호작용을 해야만 합니다. 몇몇 연구자들은 자기 모멘트가 표준 모델의 예측과 완전히 일치하지 않는 뮤온이라고 불리는 짧은 수명의 입자에서 그러한 상호작용의 힌트를 이미 보았다고 생각합니다; 암흑 부문의 힘은 이러한 불일치를 설명할 수 있습니다 (8). 힘은 입자에 의해 전달되고, 이 추정된 힘을 전달하는 입자는 전자기의 힘 운반체인 광자와 매우 유사하게 작용하지만, 질량은 전자의 몇 배에서 몇 백 배 사이입니다. 그것은 다크 광자라고 불립니다.
제퍼슨 국립 연구소의 물리학자들은 A' Experiment가 몇 개의 어두운 광자를 생성하기 위해 얇은 텅스텐 표적에 고강도 전자 빔을 박기 시작한 2010년부터 이것들을 찾고 있습니다. 제퍼슨의 다른 프로젝트들은 서로 다른 에너지 범위에서 탐색하는데, 2015년에 처음 실행된 헤비 광자 탐색과 수소 가스 목표물을 향해 전자를 발사하고 올해 초기 데이터를 찍은 다크 라이트 실험이 있습니다. DarkLight는 헝가리 베릴륨 결과도 조사할 수 있을 것입니다. 이 결과는 적절한 질량 범위에 있지만 특히 이상한 버전의 암흑 광자입니다. 지금까지의 데이터를 설명하기 위해 양성자가 아니라 중성자와 상호 작용해야 합니다. 이러한 장치 때문에, 일부 물리학자들은 헝가리인들이 본 것이 진정으로 새로운 힘이라는 것에 회의적입니다. 제퍼슨의 전자 빔이 업그레이드되고 다크라이트가 이상 징후를 추가로 조사할 수 있는 2018년에 추가 정보가 제공될 것입니다.
비록 대부분의 암흑 물질 제안들이 상대적으로 무거운 입자들에 초점을 맞추고 있지만, 일부 이론가들은 그것이 실제로 극도로 가벼울 가능성을 탐구하고 있습니다. 현대 물리학의 주요 퍼즐은 중성자와 관련이 있습니다. 중성이기 때문에 전기장과 상호작용이 없습니다. 하지만 신기하게도, 그것은 자기장에 반응합니다. 거의 작은 나침반 바늘처럼 말이죠. 왜 중성자는 전자기력의 한 구성요소와 상호작용해야 합니까? 1977년 물리학자 로베르토 페체이와 헬렌 퀸은 숨겨진 메커니즘이 중성자의 전기장과의 상호작용을 감소시킬 것을 제안했습니다. 그 직후, 다른 이론가들은 이 메커니즘이 그들이 액시온이라고 부르는 입자를 발생시켰다는 것을 깨달았습니다.
액시온은 중성적이고 유령같으며 극도로 가벼우며, 전자 질량의 100만분의 1 이하 또는 10억분의 1 이하일 것입니다. 이렇게 질량이 낮으면 초기 우주에서 훨씬 더 높은 밀도로 생성될 것입니다. 우주의 모든 입방 센티미터는 축삭으로 가득 차 있을 것입니다. 이것은 액시온이 입자처럼 행동하지 않고 필드처럼 행동하게 만들 것이고, 액시온의 에너지장이 0 근처에서 진동한다면, 암흑 물질이 되기 위해 필요한 중력 효과를 만들어낼 것입니다.
시애틀에 있는 워싱턴 대학의 물리학자 그레이 립카는 "여기 사람들이 어쨌든 존재해야 한다고 생각했던 입자가 있는데, 그것은 암흑 물질을 해결하게 되었습니다,"라고 말합니다. "그것은 일석이조였고, 그래서 그것은 정말로 찾아볼 가치가 있습니다."
포트 마이어스에 있는 플로리다 걸프 해안 대학의 물리학자 제프리 허친슨은 만약 개별 액시온이 제논 기반의 암흑 물질 직접 탐지 실험에 부딪히게 된다면, 그것은 "마치 기차에 부딪히는 침통과 같은" 일반적인 원자들을 거의 움직이지 않을 것이라고 말합니다. 그래서 대부분의 액시온 사냥 실험은 추정 입자의 가벼운 특성을 이용합니다. 양자 역학에 따르면, 모든 입자는 질량에 따라 달라지는 주파수로 진동하면서 파동처럼 행동합니다. 축이온의 불확실한 질량은 250헤르츠에서 2.5테라헤르츠까지의 주파수에 해당할 수 있습니다.
이러한 액시온 사냥 중 가장 오래 지속된 것은 워싱턴 대학의 액시온 암흑 물질 실험(ADMX)으로, 강력한 자석 내부에 위치하고 약 100밀리 켈빈으로 냉각된 금속 공동으로 구성되어 있습니다. 챔버의 공진 주파수에서 진동하는 액시온은 감지 가능한 마이크로파 광자로 변환될 수 있습니다. ADMX가 실행되면 로드가 캐비티 내에서 이동하여 유효 크기를 변경하고 라디오 방송국을 통해 튜닝하는 청취자처럼 다양한 잠재적 액시온 질량을 스캔합니다.
ADMX는 2017년 1월에 마침내 가능한 축이온 질량을 감지하는 데 필요한 민감도에 도달했습니다. 이 협력은 앞으로 5~6년 동안 500메가헤르츠에서 10기가헤르츠 사이의 가장 선호되는 축이온 질량 범위 중 일부를 조사할 것으로 예상하고 더 높은 주파수를 검색할 수 있는 기술을 연구하고 있습니다.
그러나 ADMX에 비해 축이 너무 가벼울 수 있기 때문에 다른 프로젝트는 이제 시작되고 있습니다. 암흑 물질 라디오는 일반적인 전자파를 차단하는 초전도 실드로 둘러싸인 전기 회로로 구성되어 있지만 축이온이 이를 관통할 경우 측정 가능한 전압을 생성할 수 있습니다. 이 실험의 패스파인더 버전은 2017년 8월에 데이터를 수집하기 시작했습니다. 유사한 낮은 질량 범위를 사용하는 것은 증폭 B-필드 링 장치 실험을 통한 우주 액시온 감지에 대한 광대역/공명 접근법으로, 액시온의 특징, 즉 필드에서 아주 작은 흔들림을 감지하기를 희망하며 거대한 자기장을 생성합니다. 건설 중인 또 다른 패스파인더 실험은 핵 자기공명영상(MRI) 기술을 사용하여 중성자 내부의 진동 전하를 검색하여 축이온을 제거하는 것입니다. CASPEr은 다른 검출기보다 훨씬 낮은 축이온 질량에 민감하게 반응하여 약 200Hz까지 내려갑니다.
초대칭 윔프는 아직 출시되지 않았으며 대부분의 암흑 물질 커뮤니티는 크세논 기반 탐지기에 집중되어 있습니다. 제논1T의 가장 최근 데이터 분석은 첫 34일 동안만 이루어졌습니다. "이제 우리는 누군가가 한번도 탐사하지 않은 새로운 영역을 조사하기 시작했습니다," 라고 이 프로젝트를 이끄는 뉴욕 컬럼비아 대학의 물리학자 엘레나 에이프릴이 말합니다. "우리는 모두 매우 희망적이고, 우리는 미지의 바다를 계속 탐험할 것입니다."
April의 협업과 LUX 팀은 모두 차세대 장치를 개발하고 있으며, 이는 현재 세대보다 훨씬 크고 민감한 수준이 될 것입니다. 에이프릴은 윔프가 배제되기까지는 적어도 5년은 더 걸릴 것이며, 그 전에 언제든지 나타날 수 있다고 말합니다.
물리학자들은 그들이 상상할 수 있는 많은 방법으로 암흑 물질을 발견하기 위해 계속해서 노력하고 있습니다. 오래된 입자 가속기 실험의 데이터는 이상 징후를 찾기 위해 재분석되고 있으며, 많은 입자 가속기는 어두운 광자를 검색하기 위해 개조되고 있습니다. 경량 암흑 물질 입자를 감지할 수 있는 기술에 대한 연구 개발이 급증했습니다. 다가오는 실험에는 실리콘 충전 커플링 장치에 부딪히는 암흑 물질을 검색하는 서브 전자 노이즈 스키퍼-CCD 실험 기구 및 CCD의 암흑 물질 프로젝트와 그래핀 검출기를 사용하는 빛, 초기 우주, 질량-중성미자 수율을 위한 프린스턴 삼중수소 관측소 프로그램이 포함됩니다. 연구원들은 또한 전자, 결정질 게르마늄, 초유체 헬륨과 다른 많은 직접 검출 방법을 사용하는 장치를 개발하고 있습니다.
암흑 물질의 영향이 우주에서 볼 수 있는 한, 암흑 물질은 실험의 감질나는 대상으로 남을 것입니다. "이것은 입자 물리학에서 가장 깊은 미스터리 중 하나이고, 우리는 그것을 탐지하는 방법에 대한 좋은 아이디어를 많이 가지고 있습니다," 라고 케임브리지에 있는 매사추세츠 공과대학의 입자 물리학자 제시 탈러가 말합니다. "만약 인간의 독창성이 그것에 대해 말할 수 있다면, 바라건대 제 일생에 발견될 수 있는 훌륭한 기회가 있을 것입니다."
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