암흑 물질을 찾기 위한 네트워크

문광주 기자 / 기사승인 : 2022-01-29 08:36:48
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- 암흑 물질은 우주 전체 물질의 80% 이상 차지, 무엇으로 구성됐는지 여전히 미스터리
- 액시온 또는 기타 가벼운 보존으로 구성돼 있으면, 광학 자력계에서 감지 가능
- 최대 40민 GeV(기가전자볼트)의 에너지 범위를 스캔, 유의미한 신호 못찾아

암흑 물질을 위한 그물망
광자력계의 전세계 네트워크는 '암흑장' 패턴을 검색한다.


검색은 계속.
전 세계 광학 자력계 네트워크가 암흑 물질과 아직 발견되지 않은 입자에 대한 검색을 시작했다. 이 신비로운 형태의 물질이 액시온 또는 기타 가벼운 보존으로 구성돼 있으면 집중된 형태로 원자의 스핀에 영향을 미칠 수 있으므로 광학 자력계에서 감지할 수 있다.
측정 첫 달에 그노메(GNOME) 네트워크는 아무것도 찾지 못했다. 

▲ 눈에 띄지 않게 보이지만 암흑 물질의 입자를 포착해야 한다: 마인츠 그놈 측정 스테이션. © Hector Masia Roig

암흑 물질은 우주 전체 물질의 80% 이상을 차지하지만, 무엇으로 구성돼 있는지는 여전히 미스터리다. 다양한 탐지기를 사용해 암흑 물질 입자를 탐지하려는 시도는 지금까지 대부분 헛수고였다.

결과적으로 WIMP(약 상호작용 거대 입자) 또는 순수 중성미자와 같은 일부 후보는 이제 가능성이 없는 것으로 간주되는 반면, 액시온 또는 기타 "어두운" 보존에 검색의 초점이 이동하고 있다.

"어두운" 필드는 원자 스핀을 방해한다.

액시온 및 유사한 잠재적 암흑 물질 입자를 탐지하는 새로운 방법은 GNOME 네트워크(Exotic Physics Searches를 위한 광학 자력계의 글로벌 네트워크)이다. 이것은 다른 보존에서도 흔히 볼 수 있는 액시온과 같은 입자의 잠재적인 특성을 기반으로 한다. 공동 저자인 마인츠 대학의 Arne Wickenbrock의 설명이다.

결정적인 요소는 "이러한 bosonic 필드의 특성은 가능한 이론적 시나리오에 따라 패턴과 구조를 형성할 수 있다는 것이다"고 Wickenbrock은 설명한다. "예를 들어, 은하보다 작지만 지구보다 훨씬 큰 불연속 도메인 벽이 형성될 수 있다." 지구가 암흑 물질의 그러한 "벽"을 통과하면 방향 회전을 갖는 액시온과 같은 입자는 원자의 자기장에서 상호 작용을 한다.

전 세계 측정 네트워크

그노메(GNOME) 네트워크는 정확히 이 효과를 사용한다.
전 세계 14개국에 배포된 자력계에서 레이저는 측정 원자의 스핀을 자극해 모든 원자가 같은 방향을 가리키도록 한다. 이제 잠재적 암흑 물질 장이 이러한 자력계의 범위 내에 있으면 원자 스핀을 편향시켜야 한다. “암흑물질 입자는 춤추는 원자의 균형을 무너뜨릴 수 있다. 우리는 이 교란을 매우 정확하게 측정할 수 있다"고 Wickenbrock의 동료인 Hector Masia-Roig가 말했다.

따라서 액시온의 bosonic 필드의 신호는 특정 속도로 전 세계적으로 분포된 자력계를 순차적으로 포착하는 섭동으로 감지할 수 있어야 합니다. "모든 스테이션의 신호를 비교할 때만 중단을 일으킨 원인을 평가할 수 있다"고 Masia-Roig는 말했다.

 

▲ GNOME 네트워크의 자력계 배포.© Hector Masia Roig

지금까지 조회수 없음

지금까지 14개의 자력계 스테이션 중 9개를 사용한 예비 측정에서는 액시온과 같은 입자의 영향을 감지할 수 없었다. 2017년과 2020년 사이의 네 번의 검색 실행에서 GNOME 팀은 주로 최대 40민 GeV(기가전자볼트)의 에너지 범위를 스캔했으며 통계적으로 유의미한 신호를 찾지 못했다. 이것은 그러한 입자가 존재할 수 있는 범위를 더욱 좁힌다고 연구진은 말했다.

추가 추적을 위해 GNOME 네트워크의 자력계와 데이터 분석을 개선해 더 긴 연속 측정이 가능하도록 해야 한다. 이는 1시간 이상 지속되는 신호를 안정적으로 찾는 데 중요하다.

팀이 설명하는 것처럼 자력계의 기존 알칼리 원자는 비활성기체로 대체되어야 한다.
전반적으로 이것은 측정 네트워크에 더 큰 감도를 제공한다.
(Nature Physics, 2021; doi: 10.1038/s41567-021-01393-y)
출처: Johannes Gutenberg-Universität Mainz / 독일 요하네스 구텐베르크 대학 마인츠

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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