암흑물질 탐지용 거대거울

       

암흑물질 탐지용 거대거울  물질과 에너지 / 과학  2014/10/16 09:00 http://blog.naver.com/hansyoo/220150715391 전용뷰어 보기 암흑물질 탐지용 거대거울 Oct 13, 2014, Edwin Cartlidge, physicsworld.com 암흑물질 반사경: 거대거울로 암흑물질을 찾는다. ​    독일 물리학자들은 우주선(cosmic-ray) 관측용 프로토타입으로 사용되던 거대한 금속 거울을 "숨은 광자" 사냥에 재활용한다. 정상적인 광자의 보이지 않는 친척인 숨은 광자는 일부 암흑물질을 설명할 수 있게 한다. 보이지 않는 신비로운 물질로 우주 공간에 있는 물질의 85%를 설명할 수 있다.     대부분의 암흑물질 실험은 약한 상호작용을 하는 거대 입자, 즉, 윔프(WIMPs, weakly interacting massive particles)를 탐지하려고 노력한다. WIMP는 초대칭 이론에서 예측되는 입자로 다른 입자들과는 약한 핵력 및 중력을 통해서만 상호작용한다. 윔프 감지기는 보통 지하 깊은 곳의 대형 감지기에서 윔프로 추정 입자들과 원자핵 간의 충돌에서 나오는 아주 작은 에너지를 포착하려고 한다. 그러나 이런 종류의 실험이 최초로 시작된 이후로 사반세기 동안 단 한 개의 윔프 입자도 분명하게 측정된 적이 없었다.    숨은 광자들은 일부 입자 물리학의 표준모델 확장판에서 예측되는데, 윔프와는 달리 정상 물질과 전자기적으로 상호작용한다. 숨은 광자들은 또한 아주 작은 질량을 갖으며, 뉴트리노 진동(뉴트리노는 질량을 갖고 있고 서로 간에 변환이 일어난다.)과 유사한 과정을 통해서 정상적인 광자로 진동(변환)할 것으로 예상된다. 이런 진동의 관측은 극도로 작은 전자기 신호를 감지할 수 있는 민감한 검지기에 의존된다. 그리고 극도로 어려운 실험들이 제안 또는 준비되고 있는 중이다.     많은 실험들     캘리포니아 대학 어빈 캠퍼스의 요나탄 펭(Jonathan Geng)은 지난 수년 동안 숨은 광자에 대한 관심이 커지고 있다고 말한다. 부분적으로는 암흑물질 후보들에 대한 연구에 아무 결실이 없었기 때문이다. 또한 물리학자들이 숨은 광자를 감지할 여러 가지 서로 다른 실험이 가능함을 알게 되었기 때문이다.     지금 함부르크 독일전자가속기연구소(DESY)의 바베트 되브리히(Babette Döbrich)와 동료들, 칼스루에 기술연구소(Karlsruhe Institute of Technology) 및 기타 유럽 연구소의 동료들은 숨은 광자를 찾기 위해서 구형의 금속 거울 일부를 사용하고 있다. 이 방법은 2012년 독일의 물리학자들이 한 논문("Searching for WISPy Cold Dark Matter with a Dish Antenna")에서 제안하였다. 숨은 광자들이 미약하긴 하지만 전자와 상호작용을 한다는 사실을 이용하는데, 그 결과 도체에 충돌하면 도체를 구성하는 전자들을 진동하게 한다. 이 진동으로 인하여 정상적인 광자들이 도체 표면에서 수직으로 방출된다.    구형 거울은 이런 빛을 감지하는데 이상적이다. 도체 표면에서 수직으로 방출되는 광자는 구의 중심에 모이는 반면, 거울 표면에서 튕겨 나오는 배경의 모든 빛은 구의 표면과 중심 사이에 있는 초점을 통과하게 된다. 따라서 구의 중심에 놓인 수신기를 숨은 광자 질량에 맞는 주파수로 맞춰주면 암흑물질이 생성한 광자를 잡아낼 수 있다. 거울과 수신기는 원치 않는 전자기파를 최대한 차폐하도록 준비한다.     이상적인 거울    연구팀에게는 다행스럽게도 이상적인 거울을 구할 수 있었다. 피에르 오제 관측소 건설 중에 테스트용으로 사용하던 13 평방미터의 알루미늄 거울이 칼스루에 기술연구소(Karlsruhe Institute of Technology)에 있었다. 되브리히 연구팀에는 칼스루에 연구원들이 합류하게 되어 36개의 거울 세그먼트(위 사진 참조) 각각의 위치를 조정 중이다. 집중된 파동들의 초점이 최소화되도록 준비하고 있다. 또한 실험 장치가 있는 차폐된 방에서 배경 복사 부분도 측정하고 있다. 수신기 쪽은 가장 유력한 후보가 가시광선용 저소음(low-noise) 광전증배관(photomultiplier tubes)으로 숨은 광자 질량 약 1 eV/c**2(전자의 에너지를 빛의 속도를 나누면 질량이 나온다.)에 해당한다. 기가헤르츠용 수신기를 선택할 수도 있는데, 그 경우는 질량이 0.001 eV/c**2에 해당한다. 그러나 후자의 경우는 차폐가 더욱 필요하다. FUNK(Finding U(1)'s of a Novel Kind)라 잠정적으로 명명된 독일전자가속기연구소(DESY) 및 칼스루에 기술연구소(Karlsruhe Institute of Technology) 실험이 숨은 광자를 찾기 위한 최초의 시도는 아니다. 스위스 제네바 CERN의 CROWS(CERN Resonant WISP Search)라는 실험은 2011년부터 진행되고 있으며, 숨은 광자와 액시온(axion)과 같은 작은 질량의 암흑물질 입자들을 찾는 중이다. 시애틀의 워싱턴대학에도 액시온 암흑물질 실험이 진행 중이다. 이 실험에서는 주로 액시온을 찾는 중이지만, 그럼에도 불구하고 숨은 광자의 아주 약한 상호작용까지 탐지할 수 있다. 그러나 되브리히에 따르면 FUNK의 장점은 상당히 넓은 주파수 범위로 작동할 수 있다는 점이라고 한다. 그 범위는 사용할 수 있는 적절한 전자기 탐지기와 거울의 성능에 의존된다고 한다. CERN의 피르츠 캐스퍼스(Fritz Caspers)는 FUNK가 매우 멋진 디자인이라고 칭찬한다. 그러나 전자파 간섭으로부터 거울을 차폐하기가 실질적으로 대단히 어렵다는 점을 지적한다. 항상 어려운 일은 세부적인 것들이라고 그는 말한다.   - 네이버 블로그 <Physics of Dream>  hansyoo 님의 글 중에서 전재.. [출처] 암흑물질 탐지용 거대거울|작성자 HANS