우주 물질의 약 80%는 '암흑물질'이라는 아직 발견되지 않은 물질이다. 그 존재가 약 90년 동안 이론화되었지만 JEDI 협력 과학자들은 첨단 입자 가속기 기술을 사용하여 이를 탐지하는 새로운 방법을 개발하고 있지만 결정적인 증거는 아직 파악하기 어렵습니다.
우주 물질의 약 80%는 '암흑물질'이라는 아직 발견되지 않은 물질이다. 암흑 물질의 존재는 약 90년 동안 이론화되어 왔지만, 결정적인 증거는 아직 파악하기 어렵더라도 첨단 입자 가속기 기술을 사용하여 JEDI 협력 과학자들은 암흑 물질을 탐지하는 새로운 방법을 개발하고 있습니다.
이번 연구의 공동 저자 중 한 명인 Jörg Pretz는 "이것은 이전에 관찰되지 않은 형태의 '암흑' 물질이 추가로 은하계를 안정화해야 한다는 현재 지식과 은하계 내 가시 물질의 속도 분포를 조화시킬 수 있는 유일한 방법입니다."라고 설명합니다. 그는 또한 유리히 연구소(Urich Research Center) 핵물리연구소 부소장이자 RWTH 아헨 대학교 교수이기도 합니다.
물리학자들은 1930년대부터 이 물질을 찾아왔습니다. 과학계에는 이론이 부족하지 않지만 아직까지 암흑 물질을 성공적으로 발견한 사람은 없습니다. 폴커 헤이니(Volker Hejny) 박사는 “암흑물질의 본질이 아직 완전히 불분명하기 때문”이라고 말했다.
Heini 박사는 Jülich 핵 물리학 연구소 출신이며 그의 동료인 Jörg Pretz와 마찬가지로 실험을 수행한 국제 JEDI 협력의 회원입니다. JEDI는 Jülich Electric Dipolemoment Investigations의 약어입니다. 이번 협력에 참여한 과학자들은 2011년부터 하전 입자의 전기 쌍극자 모멘트를 측정하는 작업을 진행해 왔습니다.
"암흑 물질은 눈에 보이지 않으며 지금까지 중력의 끌어당김을 통해 간접적으로만 나타났습니다. 암흑 물질의 영향력은 상대적으로 작기 때문에 전체 은하계와 같이 극도로 거대한 경우에만 암흑 물질이 실제로 눈에 띄게 됩니다."
이론물리학자들은 암흑물질이 구성될 수 있는 수많은 가상의 기본 입자들을 제안해 왔습니다. 이러한 입자의 특성에 따라 다양한 방법을 사용하여 이를 감지할 수 있습니다. 이 방법은 중력 효과에 대한 고도로 정교한 감지가 필요하지 않습니다. 이러한 방법에는 액시온과 액시온 유사 입자가 포함됩니다.
실험에서 JEDI 과학자들은 Jülich 입자 가속기 COSY의 특수 기능인 편광 빔 사용을 활용했습니다. 사진 출처: Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach
"Axions는 원래 양자 색역학의 강한 상호 작용 이론의 문제를 해결하기 위해 개발되었습니다."라고 Pretz는 설명합니다. "axion이라는 이름은 노벨상 수상자 Frank Wilczek의 이름으로 거슬러 올라가며 세제 브랜드를 의미합니다. 입자는 말하자면 물리학 이론을 '정화'하기 위해 존재합니다."
액시온을 탐지하기 위해 JEDI 협력 과학자들은 입자의 스핀을 이용했습니다. “스핀은 입자가 작은 막대 자석처럼 행동하게 만드는 양자역학의 독특한 특성입니다.”라고 Hejny는 설명합니다. "예를 들어 의료 영상의 자기공명영상(MRI)은 이러한 특성을 활용합니다. 이 과정의 일부로 원자핵의 스핀은 강한 외부 자기장에 의해 여기됩니다."
암흑물질을 찾는데도 자기공명영상(MRI)이 사용됐다. 일반적인 MRI에서는 원자가 정지해 있는 반면, 가속기에서는 입자가 거의 빛의 속도로 움직입니다. 이를 통해 특정 영역의 검사가 더욱 민감해지고 측정이 더욱 정확해집니다.
실험에서 JEDI 과학자들은 편광 빔을 사용하는 Jülich 입자 가속기 COSY의 특별한 기능을 활용했습니다. "기존의 입자 빔에서 입자의 회전 방향은 무작위입니다"라고 Pretz는 말했습니다. "편광화된 입자 빔에서 스핀은 한 방향으로 정렬됩니다." 이 기능을 갖춘 가속기는 전 세계에서 극소수에 불과합니다. "
과학자들이 의심하는 것처럼 우리 주변에 배경 축삭 장이 있다면 이는 스핀의 움직임에 영향을 미칠 것이며 결국 실험에서 발견될 수 있습니다. 그러나 예상되는 영향은 미미합니다. 측정값이 충분히 정확하지 않습니다. 그러나 JEDI 실험에서는 아직 암흑 물질 입자의 증거를 찾지 못했지만 연구자들은 가능한 상호 작용 효과를 더욱 좁힐 수 있었습니다. 아마도 더 중요한 것은 그들이 암흑 물질 탐색에 있어 새롭고 유망한 접근 방식을 확립할 수 있었다는 것입니다.