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천문우주과학소식

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거대 거울을 이용한 암흑 물질 연구

  • 작성자 : KASI
  • 작성일 : 2014-10-20
  • 조회수 : 2402
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우주 광선 관측소(cosmic-ray observatory)에서 원형으로서(prototype) 이전에 사용된 거대 금속 거울(large metallic mirror)이 "숨은 광자(hidden photon)"를 확인하기 위해 최근 독일 물리학자들에 의해 재사용되었다. 일반적인 광자의 특이하고 관찰되지 않았던 성질은 우주에 존재하는 물질의 약 85%를 차지하는 것으로 나타나는 신비하고 보이지 않는 물체인 암흑 물질(dark matter)을 설명할 수 있다.

대부분의 암흑 물질 실험은 초대칭(supersymmetry) 이론으로 예측되고 약한 힘과 중력을 통해서만 다른 물질과 약하게 상호작용하는 질량 입자(weakly interacting massive particles (WIMP))를 검출하려 한다. 일반적으로 지하 깊은 곳에 있는 거대 검출기에서 WIMP 검출기는 추정 입자와 원자 핵간의 충돌에서 방출된 소량의 에너지를 포집하는데 목적을 두고 있다. 하지만, 최초의 실험이 진행된 후 약 25년이 지난 지금까지도 WIMP가 명확히 검출되지 못하고 있는 상황이다.

숨은 광자는 입자 물리의 표준 모델(Standard Model)을 확장시켜 예측되며, WIMP와 달리 이들은 일반적인 물질과 전자기적으로 상호작용한다. 또한 숨은 광자는 매우 작은 질량을 가지고 있으며, 중성미자 진동(neutrino oscillation)과 유사한 프로세스에서 일반적인 광자로 진동하는 것으로 예측된다. 이러한 진동을 관찰하는 것은 극도로 작은 전자기 신호에 예민한 검출기에 의존하는데, 많은 어려운 실험들이 구축되거나 제안되었다.

다른 암흑 물질 후보군을 찾으려는 시도로 인해 지난 몇 년간 숨은 광자에 대한 관심이 증대되었다. 또한 물리학자들은 많은 다른 종류의 실험이 숨은 광자를 구축하고 검출할 수 있다는 것을 알 수 있었다.

최근 독일 DESY 및 칼스루헤 연구소(Karlsruhe Institute for Technology)의 과학자들은 구형의 금속 거울을 이용하여 숨은 광자를 찾아내려 하였다. 이는 "접시 안테나를 이용한 WISPy 저온 암흑 물질의 탐구"라는 논문을 통해 2012년 처음으로 독일 연구진에 의해 제안되었다. 본 방식은 숨은 광자가 자유로이 움직일지라도 전자와 상호작용하며, 전도체를 때리게 되면 구성 요소인 전자를 진동하게 만든다는 것이다. 이러한 진동은 전도체 표면에 대한 우측 각도로 방출된 일반적인 광자로 나타난다.

구형 거울은 방출된 광자가 구체의 중심에 집중되기 때문에 태양광을 검출하기에 이상적인 반면 거울을 튕겨나간 어떠한 배경 광도 구체 표면과 중심 간의 중앙 초점 영역을 통과하게 된다. 유전자기 파동(stray electromagnetic wave)으로부터 가능한 거울과 수신기를 이용하여 유입되는 숨은 광자의 질량에 연관되는 주파수로 조절되면 이후 중심에 배치된 수신기는 암흑 물질로 생성된 광자를 포집하게 된다.

연구진의 경우 이상적인 거울을 얻어낼 수 있었는데, 피에르 오제 관측소(Pierre Auger Observatory) 구축 과정에서 사용된 13 제곱미터의 알루미늄 거울이다. 그들은 초점 파동의 스팟 크기를 최소화하기 위해 36개의 각 단편에 대한 위치를 조절함으로써 거울을 가용한 상태로 만들었다. 또한 그들은 실험이 진행되는 차폐된 방 내에서 배경 방사선을 측정하였다. 수신기의 경우 대부분의 초기 선택 사항은 가시광선 측정을 위한 저잡음 광전 배증관 튜브(low-noise photomultiplier tube)이다. 이는 약 1eV/C2의 숨은 광자 질량에 해당한다. 또 다른 명확한 선택사항은 기가헤르츠 방사에 대한 수신기로서 이는 0.001 eV/C2 보다 적은 질량에 해당한다. 하지만, 이와 같은 경우 실험 구성을 위해 보다 많은 차폐가 필요하다.

DESY/칼스루헤 실험인 약칭 FUNK는 숨은 광자를 찾기 위한 최초의 실험은 아니다. 2011년 이후 진행되고 있는 스위스 CERN 연구소의 공명 WISP 탐색 숨은 광자와 엑시온(axion)과 같은 다른 저질량 암흑 물질 입자 모두를 찾고 있다. 또한 워싱턴대(University of Washington) 연구진 또한 엑시온 암흑 물질 실험을 찾고 있다. 이름에서 알 수 있는 것처럼 본 시설은 주로 엑시온을 검출하기 위해 구축되었지만, 그럼에도 불구하고 매우 낮은 상호작용 세기로 숨은 광자의 존재를 검출할 수 있었다. 본 프로젝트의 이득은 여러 주파수에 걸쳐 동작할 수 있는데, 적절한 전자기 검출기 및 거울의 성능에 따라 주파수 범위는 달라지게 된다.

FUNK는 매우 우수한 디자인이지만 전자기 간섭으로부터 거울을 차폐시키는데 있어 어려움이 있다. 또한 라디오파 망원경을 이용하여 방출된 라디오 주파수 방사선을 직접 관찰하지 않는 이유에 대한 의문점도 있다. 세상에는 보다 큰 거울을 쉽게 찾을 수 있는데, 광학 측정의 관점에서 이러한 거울은 매우 유용한 선택이 될 것이다.


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