암흑 물질 : 물리학자들이 액시온을 찾았을까

암흑 물질 : 물리학자들이 액시온을 찾았을까: 문광주 기자 / 기사승인 : 2020-06-22 19:05:17

(읽기 3분 30초)
XENONnT를 사용한 솔라 액시온의 신호는 몇 개월의 데이터 수집 후 5시그마의 중요성을 갖는 삼중 수소 배경과 구별 될 수 있다.

암흑 물질 : 물리학자들이 액시온을 찾았을까
XENON1T*(제논1T) 검출기의 초과 신호는 새로운 입자를 나타낼 수 있다.

신비스러운 신호 초과 검출 :
이탈리아 알프스에 있는 제논1T(XENON1T) 검출기는 예상보다 훨씬 많은 붕괴 사건을 기록했다. 이러한 추가 광신호는 이전에는 가상 입자인 액시온*에서만 나올 수 있었다.
그들은 오랫동안 찾고 있던 암흑 물질 입자의 한가지 후보로 생각된다.
XENON의 물리학자들은 액시온이 신호의 발생원이라고 생각하지만 다른 두 가지 원인을 배제할 수 없다.

*XENON1T : XENON100의 후속 프로젝트 XENON1T는 2013 년 중반부터 2015 년 11 월까지 건설되었다.

여기에는 3500kg의 액체 제논(독일어:크세논)이 사용되며, 내부 2000kg은 암흑 물질을 찾는 데 사용된다.
*액시온: 원자핵 안에 있는 쿼크 세계 차원의 힘을 기술하는 양자 색역학의 CP 대칭성 문제를 자연적으로 해결할 수 있는 새로운 소립자.

▲ 암흑 물질 탐지기 XENON1T의 광 검출기는 솔라 액시온에서 발생할 수있는 신비한 초과 신호를 기록했다.

참여국가 및 대학연구소는 기사아래 참조 © XENON Collaboration

암흑 물질은 무엇인가?
물리학자들이 아직 일반적인 입자 후보를 탐지할 수 없었기 때문에 이 질문에 대한 답은 아직까지 없었다. 오랫동안 선호하던 약한 상호 작용하는 거대 입자(WIMP: Weakly Interacting Massive Particles) 혹은 중성미자 또는 가벼운 액시온도 없었다. 신비스러운 쿼크-안티쿼크-조합의 입자 혹은 어두운 광자와 같은 훨씬 더 이국적인 입자에 대한 검색도 실패했다.

제논 탱크에서 번쩍거림

그러나 이제 제논-공동연구를 하는 물리학자들은 이러한 후보 중 하나가 존재한다는 증거를 발견할 수 있었다. 이론에 따르면, 이 입자들은 전자보다 수십억 배 가볍고 강한 자기장에서 전자기 방사선으로 변환될 수 있다. 특이한 특성으로 인해 액시온은 암흑 물질의 창시자일 뿐만 아니라 강한 핵력이 물질과 반물질에 동일한 영향을 미치는 이유를 설명 할 수 있다.

액시온에 대한 현재 발표된 표시는 이탈리아 알프스의 그랑사소(Gran Sasso) 실험실에서 암흑 물질 탐지기 XENON1T에서의 초과 신호이다. 검출기는 영하 95도에서 액화되는 3.2톤의 초순수 제논으로 만들어진 지하 탱크로 구성돼 있다. 외부에서 도착한 입자가 제논 원자 중 하나에 충돌하면 원자껍질의 전자를 때려 소위 체렌코프 광*(Tscherenkow light)이라고 하는 약한 빛의 섬광을 유발할 수 있다.
*체렌코프 현상 : 하전입자가 물질 속을 통과할 때의 속도 v가 물질 안의 광속도 c/n(c : 진공 속의 광속도, n : 물질의 굴절률)보다 클 때의 복사광.

▲ XENON100의 내부 극저온 및 차폐. 여기에는 제논 액체 150kg이 들어가 있다.

후속 모델이 XENON1T 이다.

저에너지에서 신호 초과

물리학자들이 XENON1T 검출기의 사건을 평가했는데, 이는 다소 낮은 에너지와 입자 충돌을 나타냈다. 방사성 붕괴와 같은 알려진 프로세스로 인한 신호 수는 1년의 분석 기간에 232건 이었다. 그러나 데이터를 분석할 때 기대치보다 53개 더 많은 285개의 데이터를 발견했다.

XENON의 연구진은 “이 초과분은 저에너지 범위에서 가장 분명하다. 우리는 7KeV 이하의 알려진 배경보다 높은 초과분을 관찰했다”고 말했다.
기대치와의 편차는 3.5시그마(99.95%)이다. 입자 물리학에서의 발견은 5시그마(99.99995%) 일 때 의미가 있을 뿐이다. 350만 분의 1의 확률에 해당한다.

▲ XENON1T 검출기의 예상 신호(빨간색 선) 및 초과 이벤트(검은 색) © XENON Collaboration

신호는 솔라 액시온으로부터 오는가?

이 초과분의 원인은 무엇일까?
물리학자에 따르면 가장 흥미롭고 가장 가능성이 높은 설명은 태양과 다른 별들에서 발생하는 가상 암흑 물질 입자의 변형인 솔라 액시온일 것이다. 과학자들은 “솔라 액시온은 킬로 전자 볼트 범위에서 에너지를 가지게 되므로 XENON1T가 가장 민감한 범위에서 정확하게 에너지를 갖게된다”고 설명했다.

물리학자들은 “솔라 액시온을 관찰하는 것은 표준 모델을 넘어서는 물리학의 증거가 될 것이다. 그러나 이 증거만으로는 암흑 물질의 기원으로 액시온을 증명하기에 충분하지 않다”고 설명한다.
모델 계산에 따르면, 초과 신호가 솔라 액시온으로 인한 이론은 3.5시그마의 의미를 갖는다. 그것이 순전히 우연일 확률은 2만분의 1보다 작다.

삼중 수소 붕괴 혹은 중성미자에서?

제논 공동협력단 연구원들은 모델에 근거해 가능성이 적다고 분류하지만 신호 초과에 대한 다른 두 가지 가능한 설명이 있다. 하나는편으로, 특이 성질을 가진 중성미자가 이러한 사건을 야기 했을 수 있다. 그러나 이것은 중성미자의 자기 모멘트가 표준 모델에 의해 예측된 것보다 더 크다는 것을 의미하며, 이는 또한 "새로운 물리학"의 지표일 것이다.

다른 한편으로, 물리학자들은 검출기의 크세논 탱크에서 소량의 방사성 삼중 수소가 적어도 부분적으로 이 초과 신호에 기여한 것을 배제할 수 없다. 크세논 2킬로그램 당 몇 개의 삼중 수소 원자만으로도 신호를 설명 할 수 있다. 그러나 지금까지 이러한 소량의 삼중 수소의 존재를 감지하는 방법은 없다.

"업그레이드"된 장치는 퍼즐을 해결할 수 있다

따라서 과학자들은 신호 중 일부가 삼중 수소에서 나온다는 전제하에서 다른 두 가설을 다시 계산했다. 그 결과 “솔라 액시온은 여전히 가능성이 가장 높지만 그 중요성은 2.1시그마로 떨어진다.”라고 연구원들은 말한다. 그들은 XENON1T 검출기를 후속 XENONnT로 변환한 후 최근에 초과 사건의 수수께끼를 해결할 수 있기를 바라고 있다.

따라서 검출기는 3배의 크세논 양을 파악하고 백그라운드 사건과 ‘실제’신호를 더욱 정확하게 구분할 수 있다. "이 작업의 결과에 기초한 예비 연구에 따르면 XENONnT를 사용한 솔라 액시온의 신호는 몇 개월의 데이터 수집 후 5시그마의 중요성을 갖는 삼중 수소 배경과 구별 될 수 있다"라고 물리학자들은 말했다.