암흑 물질: WIMP의 상황이 빡빡해지고 있다.
LHAASO 천문대는 은하수 중심에서 감마선 신호를 찾지 못했다.

무거운 암흑 물질 입자를 위한 공간이 점점 좁아지고 있다. 중국의 새로운 LHAASO 관측소의 강력한 탐지기조차도 은하수 중심에서 그러한 입자의 중요한 감마선 신호를 찾을 수 없었기 때문이다. 이론에 따르면 이러한 신호는 입자가 붕괴하는 동안 발생해야 한다. 즉, 붕괴하지 않거나 암흑 물질이 다른 훨씬 더 가벼운 입자로 구성됐다는 의미다. 

▲ 고에너지 우주 입자 샤워를 전문으로 하는 중국 LHAASO 관측소의 검출기는 부패하는 암흑 물질에서 나오는 과도한 감마선을 발견하지 못했다. © LHAASO Collaboration

암흑 물질의 본질은 천문학에서 풀리지 않은 위대한 미스터리 중 하나다.

그들의 중력 효과가 은하수와 거의 모든 다른 은하를 형성한다는 것은 사실이다. 그러나 이 보이지 않는 형태의 물질이 어떤 입자로 구성되어 있는지는 알 수 없다. 지금까지 암흑 물질 입자가 가상의 액시온, 멸균 중성미자 및 "암흑 광자"처럼 가벼운지 아니면 오랫동안 선호되는 WIMP처럼 무거운지조차 명확하지 않다.

암흑 물질 입자는 어디에 숨어 있을까?

지금까지 특수 탐지기를 사용하여 암흑 물질 입자를 탐지하려는 모든 시도는 실패했다. 데이터에서 의심되는 일부 변칙은 XENON1T 감지기에서 많이 논의된 신호와 같은 측정 오류 또는 배경 효과로 밝혀졌다. 지금까지 이러한 모든 측정은 암흑 물질 입자가 더 이상 숨을 수 없는 곳을 결정할 수 있었다. 결국 이것은 그들의 특성을 더 좁히는 데 도움이 된다.

현재 중국의 LHAASO(Large High Altitude Air Shower Observatory)는 암흑 물질 입자에 대한 또 다른 제약 조건을 제공하고 있다. 중국 남서부에 있는 안테나와 망원경의 약 1평방 킬로미터 배열은 지구 대기를 강타하는 우주선에 의해 생성되는 입자 샤워를 측정하도록 특별히 설계되었다. 이러한 2차 입자 캐스케이드는 감마선, 에너지 광자 및 기타 우주 입자가 대기의 가스 원자와 충돌할 때 발생한다.

은하수의 중심에서 감마선 검색

이것은 LHAASO 관측소를 암흑 물질에 대한 잠재적 탐지기로 적합하게 만든다. 현재의 이론에 따르면 암흑 물질의 입자들은 서로 붕괴하거나 충돌할 경우 고에너지 감마선을 생성하여 에너지 방출과 함께 서로를 소멸시킬 수 있기 때문이다. 이 경우 은하수 중심과 같이 암흑 물질의 밀도가 특히 높은 장소는 측정 가능한 초과의 고에너지 감마선을 방출해야 한다.

"따라서 매우 높은 에너지 방사선은 100TeV(테라전자볼트) 이상의 질량을 가진 무거운 암흑 물질 입자를 찾을 수 있는 독특한 기회를 제공한다"고 베이징의 고에너지 물리학 연구소의 Zhen Cao와 그의 동료들이 설명했다. LHAASO 탐지기를 사용하여 그들은 100GeV(기가전자볼트)에서 1PeV(페타전자볼트)까지의 에너지 범위에서 이러한 감마선의 2차 입자를 검색했다. 이를 위해 그들은 은하 중심의 하늘 영역과 그로부터 멀리 떨어진 4개의 비교 영역에 대한 570일 간의 데이터를 평가했다.

과잉 검출 불가

그러나 천문학자들은 아무것도 발견하지 못했다. 그들은 비교 지역보다 은하수 중심에서 더 많은 고에너지 감마선을 감지할 수 없었다. "우리는 암흑 물질 신호에 대한 중요한 증거를 찾을 수 없다"고 Cao와 그의 팀은 보고했다. 따라서 그들의 검출 실패는 무거운 암흑 물질 입자의 질량과 에너지 범위를 이전 검색보다 약 5~10배 더 엄격하게 제한한다.

이것은 의미는 암흑 물질 입자 사이에 가상의 무거운 무게가 존재하지 않으며 따라서 암흑 물질은 액시온 또는 암흑 광자와 같은 훨씬 더 가벼운 입자로 구성된다. 또는 무거운 암흑 물질 입자가 있지만 수십억 년의 수명이 매우 길다. 결과적으로 암흑 물질은 빅뱅 이후 붕괴되거나 소멸되어 중요한 방사선 흔적을 남기지 않았을 것이다.

그러나 어떤 가능한 설명이 적용되는지는 지금까지 완전히 열려 있다. 암흑 물질과 그 입자의 성질은 당분간 우리 우주의 미해결 미스터리로 남아 있다.
(Physical Review Letters, 2022; doi:10.1103/PhysRevLett.129.261103)
출처: 미국물리학회(APS)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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