암흑물질 시뮬레이션에 대한
BREAD
실험의 다이어그램. ( 출처:
BREAD
Collaboration
/
Ralf
Kaehler
/
SLAC
National
Accelerator
Laboratory
)
우주에서 가장 신비한 ‘물질’인 암흑물질을 찾기 위해 고안된 새로운 실험이 첫 번째 결과를 발표했다.
시카고 대학과 미국 에너지부의 페르미 연구소가 개발한
BREAD
(악시온 검출을 위한 광대역 반사판 실험)에서는 아직 암흑물질 입자를 발견하지 못했지만, 과학자들이 기대할 수 있는 특성 유형에 더 엄격한 제약을 가한 새로운 실험결과는 그런 입자의 존재 가능성을 보여주었다.
BREAD
실험은 암흑물질을 찾는 데 사용할 수 있는 흥미롭고 새로운 방법을 제공했다.
이는 엄청난 공간을 차지할 필요가 없는 비교적 저렴한 방법이다.
BREAD
는 ‘광대역’ 접근 방식을 사용하여 ‘악시온(
axion
)’이라고 불리는 가상의 암흑물질 입자와 관련된 ‘암흑 광자’를 다른 실험에 비해 보다 더 큰 가능성에 걸쳐 검색하지만 그 정밀도는 약간 낮다.
BREAD
프로젝트를 이끈 시카고 대학의 데이비드 밀러 박사는 “암흑물질 검색은 확인해야 할 주파수가 백만 개라는 점을 제외하면 특정 라디오 방송국을 검색하기 위해 다이얼을 조정하는 것과 같다”며 “우리의 방법은 몇 개의 라디오 방송국을 아주 철저하게 스캔하는 것이 아니라 10만 개의 라디오 방송국을 스캔하는 것과 같다”라고 설명했다.
큰 문제를 해결하기 위한 작은 실험
암흑물질은 우주 물질의 약 85%를 구성하며, 그 영향으로 은하계가 회전할 때 흩어지는 것을 방지하는 중력을 행사한다.
그럼에도 불구하고 암흑물질이 무엇으로 구성되어 있는지 거의 알지 못하기 때문에 과학자들에게 최대의 화두가 되고 있는 존재다.
암흑물질의 정체가 말 그대로 암흑에 싸여 있는 큰 이유 중 하나는 표준 광자를 방출하거나 반사하지도 않으며, 우리 눈에 전혀 보이지 않는다는 사실이다.
곧 빛과 상호작용을 하지 않는다는 뜻이다.
이러한 전자기적 상호작용의 결여는 암흑물질이 별, 행성, 달, 우리 몸, 옆집 고양이와 같은 ‘정상 물질’ 물체를 구성하는 양성자, 중성자 및 전자로 구성되지 않음을 시사한다.
우리 망원경은 암흑물질을 직접적으로 감지할 수는 없지만, 암흑물질은 중력과의 상호작용을 통해 별, 은하, 심지어 빛에도 영향을 미친다. 그래서 천문학자들은 암흑물질의 존재를 말할 수 있는 것이다. 하지만 그것이 무엇인지는 전혀 모른다.
밀러는 “무언가가 존재한다고 확신하지만, 그것이 취할 수 있는 형태는 매우 다양하다”고 말한다.
이러한 혼란으로 인해 과학자들은 암흑물질을 구성할 수 있는 이상한 특성을 지닌 다양한 입자를 찾아나서게 되었다. 그러한 후보 중 하나는 극도로 작은 질량을 가진 가상의 입자인 악시온이다.
만약 악시온이 존재한다면 일상적인 물질이 ‘보통’ 광자와 상호작용하는 것처럼 이른바 암흑광자와 상호작용할 수도 있다.
이 상호작용은 때때로 특정 상황에서 눈에 보이는 광자의 생성을 촉발할 수 있다.
BREAD
암흑물질 실험의 구성요소(출처:
BREAD
Collaboration
)
BREAD
는 테이블 상판에 장착할 수 있는 곡선형 금속 튜브 모양의 동축 접시형 안테나다.
이 실험은 광자를 포착하여 한쪽 끝에 있는 센서로 보내 가능한 악시온의 하위 집합을 검색하도록 설계되었다.
본격적인
BREAD
실험에서는 장비가 강한 자기장 내에 위치하는 것을 볼 수 있으며, 이를 통해 축삭이 광자로 전환될 가능성이 높아질 것이라고 팀은 설명한다.
원리 증명으로 팀은 이 자기장을 생성하는 데 필요한 자석을 제외한
BREAD
실험을 수행했다.
BREAD
실험은 시카고 대학에서 한 달 동안 진행되었으며, 몇 가지 흥미로운 데이터를 제공하여 본격적인 실험에 대한 팀의 욕구를 불러일으켰다.
테스트 결과에 따르면,
BREAD
는 팀이 조사하도록 설계한 주파수 범위에서 매우 민감한 것으로 나타났다.
BREAD
의 공동 리더이자 페르미 연구소 연구원인 앤드류 존네샤인은 “이것은 우리가 계획하고 있는 일련의 흥미로운 실험 중 첫 번째 단계에 불과하다”면서 “우리는 악시온 검색의 민감도를 향상시키기 위한 많은 아이디어를 가지고 있다”고 덧붙였다.
또한 이 테스트는 프랑스와 스위스 국경 지하에 건설된 27km 길이의 대형 강입자 충돌기(
LHC
)와 같은 거대한 입자 가속기뿐만 아니라 테이블 위에서도 입자 물리학을 수행할 수 있음을 보여주었다.
BREAD
의 개발과 구축을 이끈 페라미 연구소 박사후 연구원 스테판 크니르크는 “이 결과는 우리 개념의 이정표이며 처음으로 우리가 수행한 접근방식의 힘을 보여준다”라고 밝히며 “소규모 팀이 실험 구축부터 데이터 분석까지 모든 것을 할 수 있으면서도 현대 입자 물리학에 큰 영향을 미칠 수 있는 이런 종류의 창의적인 작은 실험 과학을 수행하는 것은 대단히 의미있는 일”이라고 평가한다.
BREAD
실험의 다음 단계에서는 장치가 아르곤 국립연구소의 자석 시설로 운반되는 것을 볼 수 있다.
또한
SLAC
국립가속기연구소,
MIT
, 칼텍 및
NASA
의 제트추진연구소와 같은 시설에서는
BREAD
실험의 향후 레시피를 위해 시카고 대학 및 페르미 연구소와 함께 연구개발을 진행하고 있다.
밀러는 “과학에는 여전히 공개된 질문이 너무 많고 이러한 질문을 해결하기 위한 창의적이고 새로운 아이디어를 위한 엄청난 공간이 있다”면서 “나는 이것이 그러한 창의적인 아이디어의 진정한 특징적인 예라고 생각한다.
이 경우에는 대학의 소규모 과학과 국립 연구소의 대규모 과학 간의 영향력 있고 협력적인 파트너십”이라고 덧붙였다.
자세한 연구결과는 지난달 말 ‘피지컬 리뷰 레터스’ 저널에 게재됐다.
https://n.news.naver.com/mnews/article/081/0003442414
(동물)
베트남에 있다는 동타오 닭
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