과학자들 암흑 에너지 직접 감지 가능성

이탈리아 XENON1T 실험에서 일부 설명할 수 없는 결과가 암흑 에너지에 의해 유발되었을 수 있다.

캠브리지 대학(University of Cambridge) 연구원들이 주도한 XENON1T 공동 연구팀은 새로운 연구에서 강한 자기장을 가진 태양 영역에서 생성된 암흑 에너지 입자에서 유래했을 수 있는 결과를 암시하는 물리적 모델을 구성했다. 다만 이를 확인하려면 향후 실험이 필요하다.

연구는 Physical Review D저널에 보고됐다.

가시 세계 우주 5% 미만을 제외한 약 27%는 은하와 우주 그물을 묶고 있는 보이지 않는 힘인 암흑 물질이고, 68%는 우주를 가속 팽창시키는 암흑 에너지이다.

케임브리지 카블리 우주론 연구소(Kavli Institute for Cosmology)의 써니 바그노지(Sunny Vagnozzi) 박사는 “두 구성요소가 모두 보이지 않음에도 불구하고 우리는 암흑 물질의 존재가 1920년대 초반에 제안되었기 때문에 암흑 물질에 대해 더 많이 알고 있다. 암흑 에너지는 1998년까지 발견되지 않았다”고 말했다.

논문의 첫 번째 저자인 그는 “XENON1T와 같은 대규모 실험은 암흑 물질이 일반 물질을 ‘충돌’하는 징후를 검색하여 암흑 물질을 직접 감지하도록 설계되었지만 암흑 에너지는 훨씬 더 어렵다”고 설명했다.

암흑 에너지를 감지하기 위해 과학자들은 일반적으로 중력 상호 작용, 즉 중력이 물체를 끌어당기는 방식을 찾는다. 그리고 가장 큰 규모에서 암흑 에너지의 중력 효과는 반발력이 있어 사물을 서로 끌어당기고 우주의 팽창을 가속화한다.

약 1년 전 XENON1T 실험에서 예상된 배경보다 예상치 못한 신호 또는 초과가 보고됐다. 연구의 공동 저자인 이탈리아 프라스카티 국립 연구소의 연구원 Dr. Luca Visinelli는 “이러한 종류의 과잉은 종종 우연이지만 때때로 근본적인 발견으로 이어질 수도 있다”며 “우리는 이 신호가 실험이 원래 감지하도록 고안된 암흑 물질이 아니라 암흑 에너지에 기인할 수 있는 모델을 탐구했다”고 말했다.

그 당시 과잉에 대한 가장 일반적인 설명은 태양에서 생성되는 가상의 극도로 가벼운 입자인 액시온(axion)이었다. 그러나 XENON1T 신호를 설명하는 데 필요한 액시온의 양은 연구팀이 관찰한 것과 상충했다. 태양보다 훨씬 무거운 별의 진화를 크게 변경하기 때문에 이 설명은 관찰을 뒷받침하지 않았다.

연구에 따르면 암흑 에너지가 무엇인지 완전히 이해하지 못하지만 암흑 에너지에 대한 대부분의 물리적 모델은 소위 제5의 힘의 존재로 이어질 수 있다. 우주에는 네 가지 기본 힘이 있으며, 이러한 힘 중 하나로 설명할 수 없는 것은 미지의 제5힘의 결과라고 하기도 한다. 제 5의 힘은 아인슈타인의 중력 이론이 우주의 가속도를 설명하지 못하는 가장 큰 규모에서만 작동할 수 있다. 이 다섯 번째 힘을 숨기기 위해 많은 암흑 에너지 모델에는 다섯 번째 힘을 동적으로 숨기는 소위 스크리닝 메커니즘이 있다.

Vagnozzi와 그의 공동 저자는 카멜레온 스크리닝으로 알려진 일종의 스크리닝 메커니즘을 사용하는 물리적 모델을 구성해 태양의 강한 자기장에서 생성된 암흑 에너지 입자가 XENON1T 과잉을 설명할 수 있음을 보였다.

Vagnozzi는 “우리의 카멜레온 스크리닝은 매우 조밀한 물체에서 암흑 에너지 입자의 생성을 차단하여 태양 액시온이 직면한 문제를 방지한다”며 “그것은 또한 우리가 밀도가 극도로 낮은 가장 큰 규모에서 일어나는 것과 매우 밀집된 지역 우주에서 일어나는 일을 분리할 수 있게 해준다”고 말했다.

연구원들은 자기장이 특히 강한 타코클린(tachocline)이라고 하는 태양의 특정 영역에서 암흑 에너지가 생성되는 경우 탐지기에서 어떤 일이 발생하는지 보여주기 위해 그들의 모델을 사용했다.

Vagnozzi는 “이 과잉이 원칙적으로 암흑 물질이 아니라 암흑 에너지에 의해 야기될 수 있다는 것은 정말 놀라운 일”이라고 말했다.

과잉이 암흑 에너지의 결과였다면 XENON1T 실험으로의 향후 업그레이드와 LUX-Zeplin 및 PandaX-xT와 같은 유사한 목표를 추구하는 실험은 향후 10년 이내에 암흑 에너지를 직접 감지하는 것이 가능할 수 있음을 의미한다.