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과도한 신호 검출에 다양한 해설; 중성미자, 발광입자, 솔라 액시온 WIMP?
증거 없이 물리학자들의 여러 의견 제시되는 중.

암흑물질, 검출기 신호의 미스터리
물리학자들은 XENON1T 검출기의 초과 신호에 대한 설명을 찾고 있다.

신비한 변칙 :
물리학자들은 지난 6월에 암흑물질 검출기 'XENON1T'에서 눈에 띄는 과도한 신호가 검출되는 것을 포착했다. 그들은 이 미스터리를 찾기 위한 설명을 찾고 있다. 최근 6개의 전문 논문에 이 신호가 발생하게 된 다양한 원인을 제안했다. 그중에는 이국적인 중성미자, 암흑 물질의 ‘발광입자, 솔라 액시온 또는 WIMP의 경량 변형이 있다. 이는 암흑 물질 입자에 오랫동안 선호되어 온 가상 입자다.

▲ XENON1T 감지기의 탱크에 있는 크세논 원자에 무언가가 부딪혀서 빛을 발하게 했다. © APS/ Alan Stonebraker

태양계에서, 은하의 후광에서, 또는 우리 은하수의 ’덩어리‘로 :
암흑 물질은 어디에나 있다. 우주의 가장 큰 신비 중 하나다. 무엇으로 구성되어 있는지 아직 완전히 알 수 없기 때문이다. 그들의 특성에 대한 합의조차 없다. 따라서 과학자들은 천문학적 관측을 통해 이 신비롭고 보이지 않는 형태의 물질과 입자를 무엇보다도 검출기를 통해 추적하려고 한다.

▲ 그림 1 : 들어오는 입자가 XENON1T 탱크에 있는 원자를 때리면 탱크의 상단과 하단에있는 광전자 증배관(Photomultiplier)으로 감지 할 수있는 광자와 전자를 방출한다. 공동팀은 쉽게 설명 할 수없는 과도한 신호를보고했다. 자료: 관련 논문 "Dark Matter Detector Delivers Enigmatic Signal"의 Fig.1

크세논 탱크의 섬광

가장 민감한 암흑물질 탐지기 중 하나는 이탈리아 알프스에서 액체 크세논으로 만들어지고 광 탐지기로 둘러싸인 탱크 ‘XENON1T’다. 원래 암흑물질 입자의 선호 후보 WIMP (Weakly Interacting Massive Particles)를 식별하는 데 도움을 주기 위한 것이다.
그러한 WIMP가 크세논 원자에 부딪히면 빛의 섬광 형태로 과도한 에너지를 방출한다.

▲ 낮은 에너지에서 초과가 빨간색으로 표시된 것처럼 XENON1T에 감지댔다. 알려진 배경에서 예상되는 수준과 비교 그래프.

XENON1T 감지기는 실제로 이러한 섬광을 등록했다.
2020년 6월 연구원들은 3.5시그마의 유의미한 신호 초과를 보고했다.
문제는 이러한 신호가 WIMP가 기대하는 것과 일치하지 않는다는 것이다.
데이터는 촉발 입자가 핵에 부딪히지 않고 주로 크세논 원자의 전자에 부딪혔음을 보여주기 때문이다. 또한 이러한 충돌은 각각 몇 킬로 전자볼트의 에너지만 원자로 전달됐다.
WIMP에는 너무 적다.

▲ XENON1T 검출기는 3.2톤의 초순수 액화 크세논으로 채워졌다.이 중 2.0톤이 입자 상호작용의 표적이 되었다. 입자가 표적을 가로 지르면 크세논 원자에서 빛과 자유 전자의 작은 신호를 생성할 수 있다. 이러한 상호 작용의 대부분은 존재하는 것으로 알려진 입자에서 발생한다. 따라서 과학자들은 XENON1T의 배경 사건 수를 신중하게 추정했다. XENON1T의 데이터를 알려진 배경과 비교했을 때 예상되는 232개 이벤트보다 53개 이상의 놀라운 초과 이벤트가 관찰되었다. XENON1T의 심장부 Foto/ ©: XENON Collaboration

그 뒤에 액시온이 있을까?

그렇다면 이러한 혼란스러운 신호의 원인은 무엇일까?
다섯 팀의 물리학자와 XENON1T 연구팀은 최근 이에 대한 가설을 발표했다.
모두 근본적으로 다르다.
한 가지 가능한 설명은 액시온(암흑 물질 입자의 경량 후보로 간주되는 가상 입자)이다.
‘암흑’ 액시온은 신호를 설명하기에는 질량이 너무 적지만 태양과 다른 별에서 발생할 수 있는 액시온의 또 다른 가상 변형에 대해서는 다르다.

“이러한 솔라 액시온은 킬로일렉트로볼트-범위의 에너지를 가질 것이고 그것들을 검출기 원자로 옮길 수 있었다”고 제논-협력팀의 엘레나 아프릴레(Elena Aprile)와 동료들은 말한다.
그러나 그러한 액시온이 존재한다면 천체 물리학적 관측과 모순되는 방식으로 별의 열적 거동에 영향을 미쳐야 할 것이다.

Tohoku University의 후미노부 타카하시(Fuminobu Takahashi)와 그의 팀은 현재 이 딜레마에 대한 해결책을 제안하고 있다. 그들의 모델에 따르면 이전에 가정했던 것보다 태양과 다른 별의 광자와 덜 강하게 상호 작용하는 솔라 액시온이 있을 수 있다. 그러나 이것은 신호를 설명하지만 암흑 물질과는 관련이 없다.

▲ 크세논 탱크 (왼쪽)와 XENON1T 지하 3 층 건물. © XENON-Kollaboration

암흑물질 입자가 붕괴할 수 있을까?

대조적으로 다른 연구 그룹은 암흑 물질을 원조로 간주한다.
유타 대학의 바르토즈 포널(Bartosz Fornal)과 그의 팀에 따르면 XENON1T 신호는 ‘가속된’ 암흑 물질(BDM)에서 나올 수 있다.
이것에 따르면, 빛의 섬광은 인접한 입자의 상호 소멸로 인해 추가로 강화된 암흑물질 입자에서 비롯된다. "그러면 가속된 암흑물질의 흐름이 은하 중심 또는 후광의 소멸에서 발산될 수 있다"고 물리학자들은 말한다.

한편 Queen’s University의 물리학자들은 WIMP 변종과 어두운 광자의 상호 작용을 원인으로 본다. 그것은 에너지가 킬로 전자볼트 범위에 있는 입자로 WIMP의 붕괴로 이어질 수 있다. 멜버른 대학의 Nicole Bell과 그녀의 팀은 또한 입자가 붕괴될 것이라고 가정한다.
그들이 염두한 ‘발광’암흑물질은 더 무겁고 가벼운 상태로 충돌할 수 있으며 후자는 크세논 원자에 충돌할 수 있다.

▲ XENON1T 감지기로 반사 필름이 늘어선 물 탱크 내부를 본다. 민감한 센서는 물속의 우주선에 의해 생성된 빛 신호를 식별한다. Foto/©: XENON Collaboration

아니면 결국 그들은 이국적인 중성미자인가?

반대로 막스 플랑크 핵물리 연구소(Max Planck Institute for Nuclear Physics)의 안드레아스 발리(Andreas Bally)가 이끄는 팀은 태양을 암흑 물질이 아닌 XENON1T 신호의 원인으로 본다. 그들은 다른 중성미자 또는 힉스 본손(Higgs boson)과 같은 입자와의 상호 작용을 통해 태양 중성미자가 표준 모델에 포함되지 않은 새로운 유형의 중성미자로 변환된다고 가정한다. 이것은 3킬로 전자볼트 신호를 생성하기에 충분한 질량을 가질 수 있다.

사실, XENON 공동협력 물리학자들도 중성미자를 가능한 원인 중 하나로 간주한다.
이러한 중성미자는 입자 물리학의 표준 모델이 허용하는 것보다 더 큰 자기 모멘트를 가질 때 신호를 생성 할 수 있다. 시그마가 3.2인 경우 계산에 따르면 이 가설은 확률 측면에서 솔라 액시온보다 약간 뒤처져 있다.

수수께끼는 남아

그러나 지금까지 이러한 모든 설명 시도는 가설에 불과하다.
지금까지 필요한 입자나 가정된 과정에 대한 증거가 없다.

"이 결과를 둘러싼 아이디어는 암흑 물질 연구 분야에서 얼마나 많은 일이 일어나고 있는지 보여준다"고 샌디에고 캘리포니아 대학의 통얀 린(Tongyan Lin)은 말했다.

아직까지 우주의 ‘어두운 면’을 이해하기에는 여전히 어둠 속에 있다.
(Physical Review Letters, 2020; doi : 10.1103 / PhysRevD.102.072004, doi : 10.1103 / PhysRevLett.125.161801, doi : 10.1103 / PhysRevLett.125.161805, doi : 10.1103 / PhysRevLett.125.161804, doi : 10.1103 / PhysRevLett.125 /PhysRevLett.125.161802)

출처 : American Physical Society 

[더사이언스플러스=문광주 기자] "No Science, No Future"

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