암흑 물질(dark matter)의 징후를 찾는 실험에서 설명할 수 없는 신호가 감지됐다.

‘Xenon1T’ 실험을 수행하는 과학자들은 검출기 내에서 예상보다 더 많은 활동을 감지했다. 이는 이전에 감지되지 않은 암흑 물질 입자 엑시온(axion) 존재를 나타낼 수 있다.

암흑 물질은 우주에서 물질의 85%를 차지하지만 그 성질은 알려져있지 않다. 그것은 빛을 반사하거나 방출하지 않는다. Xenon1T 실험의 새로운 신호에 대한 세 가지 잠재적 설명이 있다. 둘은 설명에 새로운 물리학을 요구하지만, 그 중 하나는 태양 엑시온(axion)의 존재와 일치한다.

연구 결과는 출판전 논문 사이트 ‘아르시브(Arxiv)’에 올라왔다. 지금까지 과학자들은 암흑 물질에 대한 간접적 증거만 관찰했다. 암흑 물질 입자의 결정적인 직접 감지는 아직 이루어지지 않았다. 이를 설명하는 몇 가지 이론이 있다. 가장 선호되는 것은 WIMP(Weakly Interacting Massive Particle)이론 이다. 크세논(Xenon) 일련의 실험을 수행하는 물리학자들은 이러한 WIMP의 징후를 찾기 위해 10년 이상 연구했지만 결실이 없었다.

그러나 가장 최근 반복 실험에서 Xenon1T는 다른 후보 입자에도 민감했다. 배경 소음(Background noise)실험은 2016년부터 2018년까지 이탈리아의 그랑사소(Gran Sasso) 시설 깊은 지하에서 진행됐다. 이 검출기는 3.2 톤의 초순수 액화 크세논으로 채워졌으며, 이 중 2톤은 크세논 원자와 통과하는 다른 입자 사이의 상호 작용을 위한 ‘표적’역할을 했다.

입자가 대상을 가로 지르면 크세논 원자에서 작은 빛의 섬광과 자유 전자를 생성할 수 있다. 이벤트라고도하는 이러한 상호 작용의 대부분은 뮤온, 우주 광선 및 중성미자와 같이 이미 알고있는 입자와 관련이 있다. 이것은 과학자들이 배경 소음을 구성한다.

암흑 물질에 대한 간접적 증거. 두 은하 클러스터의 충돌은 암흑 물질 (파란색)과 일반 물질 (분홍색)을 분리한다. credit: NASA / ESA / CXC / M BRADAC / S ALLEN.

발견되지 않은 입자 신호는 이 배경 잡음 이상으로 상승하기에 충분히 강해야한다. 과학자들은 Xenon1T의 백그라운드 이벤트 수를 신중하게 추정했다. 그들은 대략 232를 예상했지만, 실험은 53건을 초과한 285 건을 확인했다. 한 가지 설명은 Xenon1T 검출기에 소량의 삼중 수소의 존재로 인해 이전에 고려되지 않은 새로운 배경 소음일 수 있다.

또한 매초 수조 개가 매 순간 방해없이 몸을 통과하는 중성미자도 원일이 될 수 있다. 중성미자의 자기 모멘트(모든 입자의 특성)가 물리에서 기본 입자를 분류하는 표준 모델의 값보다 크다는 설명이 있다. 새로운 물리학이것은 그것을 설명하기 위해 다른 새로운 물리학이 필요하다는 강력한 암시가 될 것이다. 그러나, 초과분은 아직 검출되지 않은 매우 가벼운 입자인 태양 액시온으로부터의 신호와 가장 일치하며, 이는 또한 암흑 물질 후보이기도 하다.

통계적으로, 태양 액시온 가설은 3.5 시그마의 중요성을 갖는다. 이 중요성은 상당히 높지만, 액시온이 존재한다고 결론 내릴 만큼 크지는 않다. 5 시그마는 일반적으로 감지에 허용되는 임계값이다. 삼중 수소 및 중성미자 자기 모멘트 가설의 중요성은 3.2 시그마로 이는 데이터와도 일치함을 의미한다.