호주 과학자들은 우주의 가장 큰 미스터리 중 하나인 보이지 않는 암흑 물질의 본질을 해결하기 위해 전진하고 있습니다.
호주 최초의 주요 암흑물질 탐지기인 ORGAN Experiment는 최근 암흑물질을 설명하려는 이론들 사이에서 인기 있는 후보인 액시온(axion)이라는 가상의 입자에 대한 탐색을 완료했습니다.
ORGAN은 액시온의 가능한 특성에 새로운 제한을 두어 검색 범위를 좁히는 데 도움이 되었습니다. 그러나 우리가 우리 자신보다 앞서기 전에…
이야기로 시작합시다
약 14억 년 전, 모든 작은 조각(나중에 당신, 행성, 은하가 될 기본 입자)은 매우 조밀하고 뜨거운 하나의 영역으로 압축되었습니다.
그러던 중 빅뱅이 일어나 모든 것이 무너졌다. 입자는 원자로 결합되어 결국 함께 뭉쳐서 별을 만들고 폭발하고 모든 종류의 이국적인 물질을 만들었습니다.
수십억 년 후 지구는 결국 인간이라고 불리는 작은 것들과 함께 기어 다녔습니다. 멋진 이야기죠? 그것이 전체 이야기가 아니라는 것이 밝혀졌습니다. 절반도 되지 않습니다.
사람, 행성, 별, 은하는 모두 규칙적인 물질로 이루어져 있습니다. 그러나 우리는 규칙적인 물질이 우주의 모든 물질의 XNUMX분의 XNUMX을 구성한다는 것을 알고 있습니다.
나머지는 암흑 물질이라고 부르는 물질로 이루어져 있습니다. 그 이름은 우리가 그것에 대해 알고 있는 거의 모든 것을 알려줍니다. 그것은 빛을 방출하지 않으며(그래서 우리는 그것을 어둠이라고 부릅니다), 질량을 가지고 있습니다(그래서 우리는 그것을 물질이라고 부릅니다).
그것이 보이지 않는다면 우리는 그것이 거기에 있다는 것을 어떻게 압니까?
우리가 우주에서 사물이 움직이는 방식을 관찰할 때, 우리가 볼 수 있는 것만 고려한다면 관찰을 설명할 수 없다는 것을 몇 번이고 발견하게 됩니다.
회전하는 은하가 좋은 예입니다. 대부분의 은하는 보이는 물질만으로는 설명할 수 없는 속도로 회전합니다.
따라서 이 은하에는 암흑 물질이 있어야 하며, 추가 중력을 제공하고 부품이 우주로 날아가지 않고 더 빠르게 회전할 수 있습니다. 우리는 암흑 물질이 문자 그대로 은하를 하나로 묶는다고 생각합니다.
따라서 우주에는 우리가 볼 수 있는 모든 것을 끌어당기는 엄청난 양의 암흑 물질이 있어야 합니다. 그것은 또한 일종의 우주 유령처럼 당신을 통과하고 있습니다. 당신은 그것을 느낄 수 없습니다.
어떻게 감지할 수 있습니까?
많은 과학자들은 암흑 물질이 액시온이라는 가상의 입자로 구성될 수 있다고 믿습니다. Axions는 원래 강력한 CP 문제(전체 기사를 작성할 수 있음)라고 하는 입자 물리학의 또 다른 주요 문제에 대한 솔루션의 일부로 제안되었습니다.
어쨌든, 액시온이 제안된 후 과학자들은 입자가 특정 조건에서 암흑 물질을 구성할 수도 있다는 것을 깨달았습니다. 액시온은 일반 물질과 매우 약한 상호 작용을 할 것으로 예상되지만 여전히 약간의 질량을 가질 것으로 예상되기 때문입니다. 암흑 물질에 필요한 두 가지 조건입니다.
그러면 액시온을 찾는 방법은 무엇입니까?
음, 암흑 물질은 우리 주위에 있다고 생각되기 때문에 바로 여기 지구에 탐지기를 만들 수 있습니다. 그리고 다행히도 액시온을 예측하는 이론은 올바른 조건에서 액시온이 광자(빛의 입자)로 변환될 수 있다고 예측합니다.
이것은 좋은 소식입니다. 왜냐하면 우리는 광자를 잘 감지하기 때문입니다. 이것이 바로 ORGAN이 하는 일입니다. 이것은 액시온-광자 변환을 위한 올바른 조건을 설계하고 약한 광자 신호(검출기를 통과하는 암흑 물질에 의해 생성된 작은 섬광)를 찾습니다.
이러한 종류의 실험을 액시온 할로스코프(axion haloscope)라고 하며 1980s. 오늘날 세계에는 몇 가지가 있으며 각각은 중요한 면에서 약간씩 다릅니다.
암흑 물질에 빛을 비추다
액시온은 강한 자기장이 있는 상태에서 광자로 변환되는 것으로 믿어집니다. 일반적인 할로스코프에서 우리는 초전도 솔레노이드라는 큰 전자석을 사용하여 이 자기장을 생성합니다.
자기장 내부에 하나 또는 여러 개의 속이 빈 금속 챔버를 배치합니다. 이 챔버는 광자를 가두어 내부에서 튕겨져 더 쉽게 감지할 수 있도록 합니다.
그러나 한 가지 문제가 있습니다. 온도가 있는 모든 것은 지속적으로 작은 무작위 섬광을 방출합니다(열화상 카메라가 작동하는 이유입니다). 이러한 무작위 방출 또는 노이즈는 우리가 찾고 있는 희미한 암흑 물질 신호를 감지하기 어렵게 만듭니다.
이 문제를 해결하기 위해 공진기를 희석 냉장고에 넣었습니다. 이 멋진 냉장고는 실험을 약 -273°C의 극저온으로 냉각시켜 소음을 크게 줄입니다.
실험이 차가울수록 암흑 물질 전환 중에 생성되는 희미한 광자를 더 잘 "들을 수" 있습니다.
대규모 지역 타겟팅
특정 질량의 액시온은 특정 주파수 또는 색상의 광자로 변환됩니다. 그러나 액시온의 질량을 알 수 없기 때문에 실험은 암흑 물질이 존재할 가능성이 더 높은 것으로 간주되는 지역에 초점을 맞춰 다양한 지역을 대상으로 조사해야 합니다.
암흑 물질 신호가 발견되지 않으면 실험이 노이즈 위의 신호를 들을 만큼 민감하지 않거나 해당 액시온 질량 영역에 암흑 물질이 없는 것입니다.
이런 일이 발생하면 우리는 "배제 한계"를 설정합니다. 이는 "이 질량 범위에서 이 감도 수준까지 암흑 물질을 발견하지 못했습니다"라고 말하는 방법일 뿐입니다. 이것은 나머지 암흑 물질 연구 커뮤니티에 검색을 다른 곳으로 지시하도록 지시합니다.
ORGAN은 목표 주파수 범위에서 가장 민감한 실험입니다. 최근 실행에서는 암흑 물질 신호가 감지되지 않았습니다. 이 결과는 가능한 특성에 대한 중요한 제외 한계를 설정했습니다. 액시온의.
이것은 액시온을 찾기 위한 다년 계획의 첫 번째 단계입니다. 우리는 현재 더 민감하고 아직 탐구되지 않은 새로운 질량 범위를 목표로 하는 다음 실험을 준비하고 있습니다.
그러나 암흑 물질이 중요한 이유는 무엇입니까?
우선, 우리는 기초 물리학에 투자할 때 중요한 기술을 개발하게 된다는 것을 역사를 통해 알고 있습니다. 예를 들어, 모든 현대 컴퓨팅은 양자 역학에 대한 이해에 의존합니다.
당시 우리가 이해할 수 없는 이상한 물리적 현상으로 보이는 것들을 추구하지 않았다면 전기나 전파를 결코 발견하지 못했을 것입니다. 암흑물질도 마찬가지다.
인간이 우주에 있는 물질의 XNUMX분의 XNUMX만 이해함으로써 성취한 모든 것을 고려하고 나머지를 풀 수 있다면 무엇을 할 수 있을지 상상해 보십시오.
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이미지 신용 : 일러스트리스 콜라보레이션
