Science
지하실험을 통해 시작된 암흑물질 사냥
장종엽엔에스
2010. 3. 10. 14:11
| KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 2010-02-28 | ||||||
미네소타 주의 수단(Soudan)에 있는 갱도 깊은 곳의 대략 700미터 지하의 박쥐 뼈처럼 생긴 곳의 한가운데에는 극저온암흑물질탐색(Cryogenic Dark Matter Search : CDMSII) 실험시설이 자리를 잡고 있다. 이 시설의 중심부에는 하키 퍽 크기의 초저온 실리콘 검출기와 게르마늄 검출기들이 러시아 인형 같은 여러 겹의 차폐층들 속에 들어있다. 2주 전, CDMSII 공동연구팀은 2개의 입자들이 검출기의 방어물을 관통했음을 보여주는 논문을 발표한 바 있다. 극저온의 검출기에서 다른 입자들의 활동이 제거된 상황에서, 이 입자들은 암흑물질과 매우 닮은 것처럼 보였다. 암흑물질은 우주 질량의 85%를 구성하고 있는 것으로 생각되고 있지만, 직접 검출된 적은 전혀 없다. CDMSII 공동연구팀의 주목을 끄는 이러한 주장은 많은 물리학자들로 하여금 아직 확신하지는 못하지만 연구팀이 뭔가를 알아낼 수 있을 것이라는 생각을 갖게 만들었다. CDMSII 실험설비로부터 가까운 곳의 지하 동굴 건너편에는 이러한 암흑물질에 대한 이야기를 복잡하게 만들고 있는 훨씬 더 작은 상자가 있다. 이 상자 속에는 게르마늄 하키 퍽 1개가 들어있는데, CDMSII 시설에 있는 것과 비슷하지만 CoGeNT(Coherent Germanium Neutrino Technology) 공동연구팀에 의해 운영되고 있으며 CDMSII보다 훨씬 더 작은 질량을 가진 입자들이 들어오는 것을 검출하도록 조정되어 있다. 이 검출기는 2009년 12월에 데이터 수집을 시작했으며, 불과 56일 지난 뒤 연구팀은 간절하게 찾고 있던 암흑물질이 아니고서는 설명될 수 있는 수백 개의 입자들을 보고하고 있다. “만일 이것이 사실이라면, 우리는 매우 아름다운 암흑물질의 신호를 보고 있는 것이다.”라고 시카고대(University of Chicago) 물리학자이자 CoGeNT 대변인인 주안 칼러(Juan Collar)는 말한다. 칼러는 오늘 UCLA에서 열린 암흑물질 학회에서 이 연구결과를 발표했다. 이 연구는 어제 Arxiv 견본인쇄물 서버에 게시되었다. 칼러는 아직은 이른 단계라고 조심스럽게 말하고 있지만, 이번 결과가 확인된다면 사람들의 관심은 낮은 에너지에 민감한 실험 쪽으로 급격히 이동될 것이다. GoGeNT 실험은 WIMP, 즉 약하게 상호작용하는 무거운 입자(Weakly Interacting Massive Particle)를 찾고 있다. 이번 새 데이터는 대략 7~11 GeV/c^2 범위의 질량을 갖고 있는 WIMP를 나타내고 있다. 이론가들은 초기 우주에서 서로 다른 질량을 가진 WIMP들을 발생시키기 위한 수학적으로 견고한 모델들을 무수히 만들어왔으며, CoGeNT에서 검출된 입자는 이론적으로 가능한 범위에 잘 들어맞는다. 그러나 대다수의 모델들은 10배 정도 더 무거운 WIMP 입자들에게 더 호의를 표명했으며, CDMSII같은 실험이나 석유나 액화회유가스로 채워진 거대한 수조를 이용한 일부 실험들은 바로 그런 영역을 목표로 삼고 있었다. “더 무거운 입자들을 관찰하도록 설계된 실험들은 CoGeNT의 결과가 달갑지 않을 것이다.”라고 페르미국립가속기연구소(Fermi National Accelerator Laboratory)의 이론가인 댄 후퍼(Dan Hooper)는 말한다. CoGeNT의 결과는 그 자체만으로는 암흑물질과 관련된 수많은 힌트들 속에서 아직은 또 하나의 가설적인 주장일 뿐이다. 그리고 CoGeNT 검출기는 CDMSII 실험처럼 보호되지 않았으며, 그래서 지금 보고 있는 신호는 단순히 전자부품 속의 설명할 수 없는 방사성 붕괴 과정일수도 있다는 것을 칼러 자신도 인정하고 있다. 그렇지만 CoGeNT의 결과는 CDMSII와 또 다른 한 실험의 결과들과 매우 잘 조화된다는 사실은 뉴욕대(New York University) 이론가인 닐 바이너(Neal Weiner)의 주목을 끌고 있다. “이 실험은 약간의 논란을 야기할 것이라고 생각된다. 다른 결과들에 대해 가능한 해석과 잘 들어맞는다.”라고 바이너는 말한다. CoGeNT의 결과가 요구하는 WIMP는 CDMSII에서 얻어진 2개의 힌트들과 일치하지만, 그러한 결과들은 CDMSII의 에너지 감도의 아래쪽 구역에 있기 때문에, 연구자들이 더 많은 것을 알아내기 위해서는 힘겨운 시간을 보내야 할 것이다. CoGeNT의 결과와 들어맞는 2번째 실험은 이탈리아 그란 사쏘(Gran Sasso)의 지하 깊은 곳에 있는 검출기에서 DAMA/LIBRA(Dark Matter Large Sodium Iodide Bulk for Rare Processes) 공동연구팀에 의해 관찰된 이상한 신호이다. 이 이탈리아 연구팀은 10년 동안 없어지지 않는 주기적인 신호를 발견했다. 이 효과의 원인은 은하수에 있는 암흑물질의 안정된 흐름을 지구가 해마다 통과하기 때문이라고 생각되었다. CoGeNT로 관측된 입자들은 페르미감마선우주망원경(Fermi Gamma-ray Space Telescope)이나 PAMELA(Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics)와 같은 우주 인공위성에 의해 현재 조사되고 있는 매개변수공간의 범위들보다 질량이 훨씬 더 낮다. 이 위성들도 암흑물질의 힌트를 발견하였지만, 더 무거운 입자들에 대한 것이었다. 그러나 CoGeNT의 결과가 우주실험의 관측결과에 의혹은 불러일으키겠지만 완전히 훼손하지는 않을 것이라고 와이너는 지적한다. 우주에서 간접적으로 관찰된 모든 암흑물질들이 빛과 무거운 입자 모두로 이루어졌을 수도 있다. 그래서 그는 이미 계획되어 있는 고질량 검출기들의 가동중단을 아직은 원하지 않는다. “이번 결과 때문에 어떠한 검출기도 폐기되지는 않을 것이다. 우리는 신중해야 한다.”라고 와이너는 말한다. * 그림 : CDMSII와 CoGeNT 암흑물질 실험들이 모두 이루어지고 있는 수단 갱도
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