3'20" 읽기
- 2020년 XENON1T 검출기에 의해 등록된 초과 신호는 배경 효과에서 온 것

암흑 물질: 입자 신호가 아니었다.
새로운 측정 데이터, XENON 검출기의 입자 초과 신호 반박

암흑 물질 입자 검색에 대한 좌절:
2020년 XENON1T 검출기에 의해 등록된 초과 신호는 분명히 암흑 물질에서 온 것이 아니라 배경 효과에서 온 것이다. 두 개의 서로 다른 검출기를 사용한 체계적인 후속 측정이 최근 보여준 것에 따르면, 이것은 당분간 새로운 유형의 입자에 대한 추측을 중단시킨다. 새롭고 더 정확한 측정이 오랫동안 찾아온 암흑 물질 입자의 공간을 더욱 좁혔다. 

▲ XENON1T(위)의 감지된 이벤트 잉여 및 XENONnT를 사용한 최종 측정 결과. 실선은 검출기의 일반적인 배경 잡음을 보여준다. © J. Ye/ Columbia University via APS

암흑물질이 무엇으로 구성되어 있는지는 아직 불분명하다. 탐색 범위와 잠재적 암흑 물질 입자의 질량에 대한 합의조차 이루어지지 않았다. 가벼운 액시온 또는 멸균 중성미자와 마찬가지로 무거운 "약하게 상호작용하는 거대 입자"(WIMP)가 고려된다. 그러나 지금까지 아무것도 발견되지 않았다. 검출기 XENON1T가 2020년에 등록한 시그널 잉여는 더욱 흥미진진했다. 전 세계의 물리학자들은 이 효과 뒤에 어떤 "새로운 물리학"이 있을지 추측했다.

더 높은 정밀도의 후속 탐지기

수수께끼 신호를 더 조사하기 위해 XENON Collaboration의 물리학자들은 동일한 에너지 및 질량 범위에서 XENON1T 검출기의 후속 실험으로 측정을 수행했다. 잠재적 입자는 이탈리아 알프스의 그란 사쏘(Gran Sasso) 대산괴 아래 깊은 측정 탱크에서 크세논 원자와 충돌할 때 방출되는 약한 체렌코프(Cherenkov) 빛을 통해 감지됐다.

XENONnT를 사용하면 측정 탱크에 거의 6톤의 액체 크세논이 들어 있다. 이는 이전 제품의 거의 두 배다. 개선된 광검출기 및 보정 알고리즘은 물리학자들이 보고한 바와 같이 "배경 잡음"이 이전 값의 5분의 1로 감소되도록 한다. 현재 측정 캠페인에서 그들은 또한 태양 중성미자, 크세논의 삼중수소 불순물 또는 기타 간섭 효과가 신비한 XENON1T 신호를 유발할 수 있는 정도를 구체적으로 테스트했다.

더 이상 과잉은 없다.

결과:
모든 간섭 효과를 고려해 제거한 경우 신호가 감지되지 않았다. 이전 실험과 달리 보다 정밀한 XENONnT 검출기는 해당 에너지 범위에서 추가 충돌 이벤트를 등록하지 않았다. "우리는 약 4 시그마의 중요성을 갖는 2.3 킬로전자볼트에서 XENON1T에 의해 관찰된 초과를 배제할 수 있다"며 "맹검 분석은 배경을 넘어선 어떤 사건도 보여주지 않았다"고 연구원들은 말했다.

이것은 새로운 암흑 물질 입자의 가능한 신호가 불행히도 하나가 아니라는 것을 의미한다. "우리는 XENON1T에서 초과분을 생성한 것이 정확히 무엇인지 결코 알 수 없을 것이지만, 이제 우리는 그것이 확실히 새로운 물리학이 아니라는 것을 알고 있다"고 Xenon 협업의 데이터 분석 코디네이터인 뉴욕 컬럼비아 대학의 Jingqiang Ye가 말했다. 동시에, 현재 측정 결과는 이 에너지 범위에 대해 지금까지 가장 엄격한 "제로 결과"이며 해당 질량을 가진 암흑 물질 입자의 공간을 더욱 좁힌다.

▲ 액시온 유사 입자(ALP)와 어두운 광자를 위한 공간이 점점 좁아지고 있다. © XENON Collaboration/ Physical Review Letters, CC-by 4.0

PandaX에서도 제로 결과

Xenon1T 신호에 대한 두 번째 반박은 중국 Jinping Underground Laboratory의 PandaX 탐지기에서 나온 것이다. 이것은 지하 2,400m 정도이며 입자 충돌에 의해 생성되는 크세논과 체렌코프 빛을 탐지 방법으로 사용한다. XENON 탐지기와 마찬가지로 PandaX는 주로 WIMP와 같은 더 무거운 암흑 물질 입자를 검색하도록 설계됐지만 더 가벼운 입자도 탐지할 수 있다.

PandaX 협업의 물리학자들은 분석을 위해 30킬로전자볼트 이하의 에너지 범위에서 1,085개의 가능한 신호를 구체적으로 평가했다. 검출기의 배경 잡음은 크세논 불순물이 더 높기 때문에 다소 높지만 PandaX 검출기에서도 명백한 과잉은 없었다. 메릴랜드 대학의 Dan Zhang과 그의 동료들은 "검출기 및 섭동에 대한 최상의 매개변수는 모두 2시그마 의미의 0 결과와 일치한다"라고 말했다.

검색 공간이 좁아지고 있다.

이제 분명해 보이다. 오랫동안 찾아온 암흑 물질 입자가 숨겨져 있는 곳마다 그 공간이 점점 좁아지고 있다. XENONnT 및 PandaX를 사용하면 현재 최고의 감지기 중 두 개가 추가 질량 범위를 제외했다. 그들의 현재 측정은 가상의 액시온과 같은 입자와 어두운 광자가 있을 수 있는 에너지 범위에서 이루어졌다. 연구팀은 이제 미래 분석에서 다른 에너지 영역을 다루기를 원한다.

어쨌든 일부 물리학자들은 전자장과의 상호 작용을 통해 액시온 및 기타 "암흑 보존자"를 탐지하도록 설계된 실험인 할로스코프보다 크세논 기반 탐지기에서 이러한 암흑 물질 입자 후보를 탐지할 가능성이 더 적다고 생각한다.
(Physical Review Letters, 2022; doi: 10.1103/PhysRevLett.129.161805; doi: 10.1103/PhysRevLett.129.161804)
출처: Physical Review Letters, American Physical Society(APS)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]