힉스보손 보다 낮은비율로 붕괴, 암흑물질 발견법 제시

과학자들이 세계 최대 거대 강입자가속기(Large Hadron Collider, LHC)를 활용해 암흑물질(dark matter) 입자를 찾는 방법을 고안했다.

암흑 물질은 우주의 모든 물질 중 26.8 %를 차지하는 것으로 추산된다. 아직은 신비에 가까운 힉스 보손(Higgs Boson) 입자를 발견한 후 LHC 과학자들은 ‘암흑물질’을 발견하는데 관심을 기울이고 있다. 연구자들은 LHC가 다시 가동되는 2021년에 그들의 접근법을 시도 할 수 있을 전망이다.

암흑 물질은 우주의 모든 물질 중 약 26.8 %를 차지하는 것으로 추산된다. 암흑 물질은 우주 전체에 잘 분산되어 있다고 알려졌다. 우주의 68.3 %는 또 다른 신비한 물질인 암흑 에너지(dark energy)에 휩싸여있다. 이는 단순히 신비한 추측이 아니다. 둘 다 근본적으로 우주를 지탱하는 물질이다.

일반적인 물질은 우주 전체에서 약 4.9 %를 차지한다. 우리가 시각적으로 관측할 수 있는 일반 물질들이 이에 해당한다. 전체인 듯 보이는 지구와 천체를 구성하는 일반 물질은 우주 전체에서 차지하는 비중은 크지 않다.

암흑물질 탐구가 가장 큰 도전인 이유는 아무도 그것을 보지 못했다는 것이다. 우리는 중력이 그것과 어떤 영향을 주고받는지 등의 효과로 그것을 간접적으로 알 수는 있다.

암흑물질을 찾는 새 방법을 미국 시카고대(University of Chicago) 연구팀이 새 논문에서 제시했다. 그들은 암흑물질의 낮은 붕괴 속도를 이용해 LHC에서 암흑물질을 포획하는 새로운 방법을 고안했다.

이 연구는 리안타오 왕(Lian-Tao Wang) 시카고대 물리학과 교수와 지아 리우(Jia Liu) 박사후 연구원, 젠 리우(Zhen Liu) 페르미렙(Fermilab, 현 University of Maryland) 과학자 에 의해 수행됐다.

이론가들은 한 종류의 암흑 입자는 더 무겁고 느리며 어떤 때는 정상적인 물질과 상호 작용한다고 제안한다. 또한 1 / 10 초의 다소 긴 수명을 가지고 있다. 과학자들은 LHC 양성자 충돌에서 그러한 입자가 발견 될 수있다고 생각했다.

왕 교수는 이러한 특수한 암흑 입자들이 “힉스 보손에 어떤 방식으로 결합될 수 있다”고 설명했다. 힉스 보손이 암흑 물질 세상으로 통하는 입구가 될수 있다는 지적이다.

하나의 가능성은 실제로 힉스(Higgs)가 붕괴하면서 보다 길게 지속되는 암흑 입자로 바뀌는 것이다.

그러나 매 초 단위로 LHC에서 일어나는 수십억 건의 충돌 중 암흑 입자를 잡는 방법이 문제다. 제1 저자 리우 연구원은 암흑 입자가 더 무거워서 빛의 속도보다 느리게 움직일 것이라고 생각한다. 암흑 입자가 다른 입자들과 분리돼 있을 것이란 설명이다.

과학자들이 고안한 방법은 더 낮은 비율로 붕괴하는 그러한 입자들을 포착하는 것이다. 그 차이는 나노초만큼 작거나 더 작을 수 있다. 그러나 이미 놀라운 성능을 입증한 LHC 센서는 이러한 이상 현상을 감지 할 수 있다.

리우는 LHC가 그들의 아이디어를 실험, 입자를 찾을 수있는 능력이 있다고 믿는다. 그러나 한 가지 문제는 팀이 LHC 가동이 재개되는 2021년까지 기다려야한다는 것이다.

힉스 보손(Higgs Boson) 입자 발견에 성공한 LHC(Large Hadron Collider)는 현재 오프라인(offline) 상태에 있다. 개조가 마무리되는 2021년 가동을 재개, 온라인(online)이 되면 LHC의 에너지 출력은 현재 14조 볼트 보다 1조 전자 볼트가 더 높아지게 될 것이다.

유럽입자물리연구소(CERN)가 운영하는 스위스 제네바와 프랑스 국경에 위치한 27km 규모 LHC의 추가 동력은 암흑 물질을 발견하는 데 도움이 될 수 있다.

LHC 내부 두 개의 고에너지 입자 빔은 입자를 충돌하기 전 빛의 속도에 가까운 속도로 가속한다. 입자는 별도의 빔 파이프에서 반대 방향으로 발사된다. 두 개의 튜브는 초고진공 상태로 유지된다. 그들은 초전도 전자석에 의한 강한 자기장에 의해 가속된다. 전자석은 초전도 상태에서 작동하는 특수 전기 케이블 코일로 만들어져 저항이나 에너지 손실 없이 전기를 효율적으로 전도한다. 이를 위해 외부 공간보다 온도가 낮은 -271.3 ° C로 자석을 냉각해야한다. 이러한 이유 때문에 LHC 대부분은 자석을 냉각시키는 액체 헬륨 분배 시스템 등과 연결돼 있다.

리우는 “우리는 발견 가능성이 크다고 생각한다”며 “입자가 있다면, 그것을 발견하는 방법을 찾아야 만한다. 일반적으로 핵심은 물어볼 질문을 찾는 것”이라고 말했다.

논문은 리지컬리뷰레터스(Physical Review Letters)에 4월 3일 발표됐다.

*논문명 : Enhancing Long-Lived Particles Searches at the LHC with Precision Timing Information