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- 우리 은하수는 반헬륨 핵에 대해 약 50% 투명하다.
- 반입자는 일반 입자와 접촉하는 순간 에너지 방출과 함께 소멸
- 가상의 암흑물질 입자가 존재한다면, 그들이 생성하는 반물질의 약 절반은 지구에 도달

은하수: 반물질은 얼마나 멀리 갈 수 있을까
암흑물질 반헬륨 핵이 지구에 도달할 수 있다.

우주 메신저:
입자 가속기 LHC의 데이터에서 알 수 있듯이 반물질 입자는 지워지지 않고 놀라울 정도로 오랜 시간 동안 우주에서 생존할 수 있다. 이에 따르면, 우리 은하수는 반헬륨 핵에 대해 약 50% 투명하다. 이러한 반입자가 암흑물질의 상호 작용에 의해 생성된 경우 연구원이 "Nature Physics"에 보고한 것처럼 지구 근처에서 감지할 수 있어야 한다. 이것은 오랫동안 찾아온 암흑물질 입자를 찾는 데 도움이 될 수 있다. 

▲ 입자 가속기 LHC의 ALICE 검출기 데이터는 반 헬륨 핵이 얼마나 오래 지속되는지를 나타낸다.

물질이 우리 우주에서 반물질보다 우세하지만 반입자가 형성되는 많은 물리적 과정이 있다. 방사성 붕괴, 우주선, 심지어 번개에서도 마찬가지다. 그러나 이러한 반입자는 일반 입자와 접촉하는 순간 에너지 방출과 함께 소멸된다. 다른 조건과 다른 반입자에서 이 소멸이 얼마나 빨리 일어나는지는 지금까지 부분적으로만 밝혀졌다.

반물질과 암흑물질의 관계

특히 우주 반입자는 현대 물리학의 가장 큰 미스터리 중 하나인 암흑물질의 본질에 대한 중요한 정보를 제공할 수 있다. 중력 효과를 통해 은하계의 형태와 행동, 그리고 우주에서 물질의 분포를 형성한다. 지금까지 어떤 입자가 눈에 보이지 않고 직접적으로 감지할 수 없는 암흑물질을 구성하는지 알 수 없다.

특정 암흑물질 입자가 상호 작용할 때 형성될 수 있다는 이론이 있기 때문에 반물질이 들어오는 곳이다. "반헬륨-3과 같은 반핵의 관찰은 암흑물질에서 약하게 상호 작용하는 거대 입자(WIMP)의 소멸에 대한 가장 유망한 신호 중 하나다." 제네바 근처 CERN 연구 센터의 ALICE 협력 물리학자들의 설명이다. WIMP는 암흑물질 입자의 가능한 후보로 간주된다.

반입자는 우주에서 얼마나 멀리 이동할 수 있을까?

그러나 문제는 예를 들어 은하수 중심에 형성된 이러한 반입자가 전혀 감지될 수 있는지 여부가 지금까지 명확하지 않았다는 것이다. 이를 위해 그들은 전멸되지 않고 우주를 통해 수천 광년을 날아야 할 것이다. 물리학자들은 이것이 가능한지 여부를 조사하기 위해 입자 가속기 LHC에서 양성자와 납의 충돌을 사용했다. 많은 "정상적인" 입자 외에도 이러한 충돌은 반헬륨-3 핵을 포함한 반입자도 생성한다.

▲ 두 개의 납 핵이 충돌한 후 ALICE 검출기에서 입자 추적. 생성된 입자 중에는 항상 약간의 반입자가 있다.© CERN/ Steffen Georg Weber, TU Darmstadt

ALICE 검출기에 의해 기록된 입자 트랙에서 이러한 반헬륨-3 핵이 검출기 물질과 상호 작용하여 소멸될 확률을 정량화할 수 있다. 물리학자들은 이 충돌 확률을 비탄성 단면이라고 한다. 물리학자들은 탐지기의 입자 트랙에서 얻은 데이터를 물질, 자기장 및 기타 가능한 파괴 요인을 포함하여 은하수 환경을 묘사하는 모델에 입력했다.

이를 통해 연구자들은 처음으로 항헬륨 핵이 은하계 조건에서 얼마나 멀리 날아갈 수 있는지, 즉 이러한 유형의 반물질 입자에 대해 은하수가 얼마나 투명한지 결정할 수 있었다.

은하수: 반은 통과한다

그 결과 우리 은하는 암흑물질의 반헬륨 핵에 대해 약 50% 투명하다. 가상의 암흑물질 입자가 존재한다면, 그들이 생성하는 반물질의 약 절반은 지구에 도달할 수 있다. 비록 그것들이 수만 광년 떨어진 곳에서 기원하더라도 그렇다. 우주선에 의해 형성되는 반헬륨 핵의 경우 은하수의 투명도는 에너지에 따라 25 ~ 90%까지 다양하다.

CERN의 ALICE 대변인 루치아노 무사(Luciano Musa)는 "우리의 결과는 직접 흡수 실험을 기반으로 우리 은하 중심 근처 지역의 안티헬륨-3 핵조차도 지구에 도달할 수 있다는 것을 처음으로 보여줍니다."라고 말했습니다. "따라서 우리의 결과는 우주에서 가벼운 반물질 코어를 찾는 것이 암흑 물질을 찾는 데 가치 있는 방법이 될 수 있음을 보여준다.“

▲ a, 중간에 충돌 지점이 있는 빔 축에 수직인 평면에서 중급에서 ALICE 검출기의 개략도; ITS, TPC, TRD 및 TOF 검출기는 각각 녹색, 파란색, 노란색 및 주황색으로 표시. TPC 가스에서 소멸되는 3He는 빨간색으로 표시되고, 비탄성 반응을 거치지 않고 TOF 검출기에 도달하는 3He는 파란색으로 표시. 점선 곡선은 3He¯ 소멸에서 생성된 하전된 (반)입자를 나타낸다. (출처: 관련논문 Fig 1, Measurement of anti-3He nuclei absorption in matter and impact on their propagation in the Galaxy)

지구 궤도의 탐지기

또한 이러한 암흑물질의 "메신저"를 비교적 쉽게 식별할 수 있어야 한다. 물리학자들이 설명하는 것처럼 우주선의 반입자보다 에너지가 적고 속도가 느리기 때문이다. 결과적으로 "어두운" 기원을 가진 반헬륨 핵에 대한 "노이즈 플로어"는 상대적으로 낮다.

국제우주정거장(ISS)에 이미 설치된 AMS-02 장비로 암흑물질에서 유래한 반헬륨 핵을 포착할 수 있었다. 2025년부터는 풍선탐사선이 북극 상공에 도착하는 우주선의 반헬륨-3를 조사할 예정이다.
(Nature Phusics, 2022; doi: 10.1038/s41567-022-01804-8)
Nature Physics, CERN, Technische Universität München

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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