우주 구성하는 '암흑물질' 단서 찾았다

3 1 리트윗 0 조회 63 2013.04.05 05:31

ㆍ미 물리학자 팅 연구팀, 2조원 들여 분광계 설치
ㆍ18년 만에 첫 단서 확인

우주를 구성하는 미지의 존재인 암흑물질의 단서를 과학자들이 찾아냈다. 미국 물리학자 새뮤얼 팅이 이끄는 연구팀은 국제우주정거장에 설치한 분광계를 이용해 암흑물질이 있다는 단서를 찾았다고 발표했다. 스위스 유럽입자물리학연구소에서 발표된 연구 결과는 물리학리뷰지에 실렸고, BBC방송 등이 이를 인용해 3일 보도했다.

은하가 회전하는데도 천체들이 흩어지지 않고 유지되는 것은 중력이 붙잡아주기 때문이다. 그런데 지금까지 알려진 물질들의 중력만으로는 이 거대한 힘을 설명할 수가 없다. 1933년 스위스 물리학자 프리츠 츠비키는 보이지 않는 어떤 물질의 중력이 존재한다는 가설을 세웠다.

이 ‘암흑물질’의 정체는 베일에 싸여 있지만, 물질이자 반물질인 거대질량소입자(윔프)로 추정된다. 반물질은 보통의 물질을 구성하는 양성자·중성자·전자 등의 입자가 아닌 반입자(반양성자·반중성자·양전자 등)로 된 물질을 말한다.물질과 반물질이 만나면 서로 소멸되면서 큰 에너지를 만들어낸다. 팅 박사 연구팀은 소립자 250억개를 분광계로 끌어모아 관찰하고, 전자와 양전자 80억개가 충돌했음을 확인했다. 연구팀은 암흑물질이 충돌하면서 일어나는 상쇄 과정으로 보인다고 밝혔다. 팅은 “암흑물질의 입자는 수백 기가전자볼트의 질량을 갖는 것 같다”고 말했다.

18년에 걸친 이번 연구의 주인공은 둘이다. 첫째는 중국계 미국인으로 매사추세츠공과대학 교수인 팅 박사다. 올해 77세인 팅은 입자물리학의 대가로, 1979년 노벨물리학상을 받았다. 미국에서 태어났으나 2살 때 부모를 따라 중국으로 간 뒤 산둥반도에서 일본의 침공을 겪었다. 대만과 미국에서 공부하고 유럽으로 옮겨가 유럽입자물리학연구소의 모태가 된 유럽핵연구기구에서 활동했다. 하지만 노벨상 수상식에서는 중국어로 연설해 중국인들을 기쁘게 했다.

1965년 팅은 새로운 도전에 나섰다. ‘알파전자기분광계(AMS)’를 만들어 암흑물질과 반물질을 연구하자는 구상을 내놓은 것이다. 20억달러(약 2조2000억원)를 들여 우주공간에 실험장치를 설치하는 거대 프로젝트였다.

미 에너지부 후원으로 16개국 과학자 500여명이 제작한 AMS도 주인공이다. 네덜란드 유럽우주국 연구기술센터에서 만들어진 이 장비는 미국 플로리다주 케네디우주센터로 옮겨진 뒤 2011년 5월 엔데버호를 타고 우주정거장에 실려갔다. 무게 6.7t의 AMS에는 포획된 입자의 방향을 쫓는 항성추적기, 입자의 에너지를 추적하는 전자기열량계, 고에너지 입자의 속도를 재는 전이방사성검출기 등 8개의 측정모듈이 달려 있다.

▲ 암흑물질

미지의 존재인 암흑에너지와 함께 우주의 대부분을 구성하는 것으로 추정되는 물질. 직접 탐지되지 않고 중력효과에 의해서만 관찰되기 때문에 암흑물질이라는 이름이 붙었다. 과학자들은 우주공간에 설치한 알파전자분광계와 스위스~프랑스 국경지대 지하에 있는 거대강입자가속기를 이용해 암흑물질 입자의 충돌을 확인하기 위한 실험과 관측을 하고 있다.(경향신문)

<단지언니생각에>

1)우주란 무엇인가?
2)우주에는 무엇이 있는가?
3)우주의 원리는 무엇인가?
4)우주는 끝이 있는가?
5)우주의 질서
>>위에서 발견한(?)암흑물질이 실제 존재한다면, 인간은 우주의 근본을 알아내는데 한 걸음 더 다가 간 것이다. 우주공간의 무한성, 유한성은 규명될 것이며 신의 존재 유무도 그 허구성(실존성)에 대한 정체가 밝혀질 것이다.
>>위와같이 인간의 과학적 이성과 탐구정신이 불멸하는한 신비하고 정밀하고 오묘함으로 둘러쌓인 우주질서는 인류의 무한한 능력에 의해 그 정체가 언젠가는 드러나게 될것이다.
>>우주의 실체를 본다면 인간의 의식세계는 어떻게 달라질 것인가?

아이작 뉴턴

Isaac Newton

Albert Einstein

Stephen Hawking

Samuel Chao Chung Ting

3 April 2013 Last updated at 15:03 GMT

Alpha Magnetic Spectrometer zeroes in on dark matter

By Jonathan Amos Science correspondent, BBC News

The AMS was taken up to the ISS in 2011

A $2bn experiment on the space station has made observations that could prove to be the first signs of dark matter, a mysterious component of the Universe.

The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) surveys the sky for high-energy particles, or cosmic rays.

It has seen evidence for what could be dark matter colliding with itself in a process known as "annihilation".

But scientists stress that a precise description of this enigmatic cosmic constituent is still some way off.

"It could take a few more years," said AMS deputy spokesman Roberto Battiston, a professor of physics at the University of Perugia, Italy.

"But the accuracy that AMS is displaying is far greater than past experiments, so we're getting closer to unveiling the cause of the particle events we're detecting," he told BBC News.

Dark matter accounts for most of the mass in the Universe.

It cannot be seen directly with telescopes, but astronomers know it to be out there because of the gravitational effects it has on the matter we can see.

Galaxies, for example, could not rotate the way they do and hold their shape without the presence of dark matter.

AMS - a particle physics machine nicknamed the "Space LHC" in reference to the Large Hadron Collider here on Earth - has been hunting for some indirect measures of dark matter's properties.

It counts the numbers of electrons and their anti-matter counterparts - known as positrons - falling on to a battery of detectors.

Theory suggests that showers of these particles should be produced when dark-matter particles collide somewhere in space and destroy each other.

In a paper in the journal Physical Review Letters, the AMS team reports the observation of a slight excess of positrons in the positron-electron count - an outcome expected of these dark matter annihilations.

The group also says the positrons fall on the AMS from all directions in the sky with no particular variation over time.

This is important because specific locations or timing variations in the signal could indicate a more conventional source for the particles, such as a pulsar (a type of neutron star).

AMS was placed on the International Space Station in 2011. The longer it operates, the better its statistics will be and the more definitive scientists can be in their statements.

But lead spokesman, Prof Sam Ting, said the AMS Collaboration would proceed slowly and cautiously.

Of particle masses and energies

Confusingly, particle physicists speak of both particle masses and their energies in terms of the energy unit called an electronvolt
For example, the accelerator called the Large Hadron Collider speeds protons to energies of trillions of electronvolts
Yet, when the particle called the Higgs boson was discovered there, scientists said it had a mass of about 125 billion electronvolts
This is actually physicists' shorthand, which arises from "mass-energy equivalence" - Albert Einstein's most famous equation
The actual mass is found by dividing by the square of the speed of light - for the Higgs boson, that is about 0.0000000000000000000003 g

"It took us 18 years to do this experiment and we want to do it very carefully," he told a seminar at the European Laboratory for Particle Physics (Cern) in Geneva.

"We will publish things when we are absolutely sure."

The Physical Review Letters paper reports the positron-electron count in the energy range of 0.5 to 350 gigaelectronvolts (GeV).

The behaviour of the positron excess across this energy spectrum fits with the researchers' expectations. However, the "smoking gun" signature would be to see a rise in this ratio and then a dramatic fall. This has yet to be observed. Only more data from above 350 GeV will resolve this issue.

"With time, we should be able to tell you whether it drops off very quickly, in which case it will be the result of dark matter collisions - which means we've found dark matter; or that it drops off very slowly which means the positrons come from pulsars," Prof Ting explained. "At the moment we do not have enough particle events."

Getting a definitive detection and nailing some of its properties would open up dark matter to further study.

"At the moment, all we can say is that the (dark matter) particles could have a mass of several hundred gigaelectronvolts, but there is much uncertainty," said Prof Battiston. (By way of comparison, a proton, the particle in the nucleus of every atom, has a mass of about 1 GeV).

Key quest

AMS is just one of several techniques being used by researchers to try to uncover the nature of dark matter.

There are laboratories on Earth that are attempting to make more direct detections as the elusive particles pass though containers of the elements xenon or argon, held deep underground.

The results come from the Alpha Magnetic Spectrometer, as David Shukman reports

The Large Hadron Collider, too, is involved in the hunt. It hopes to produce dark matter particles in its accelerator.

A precise description of this mysterious component is now an urgent objective for modern physics.

Normal matter, the material we can see with telescopes (all the stars and galaxies), contributes just 4.9% of the mass/energy density of the Universe.

Dark matter is a far bigger constituent, making up 26.8%. This figure was recently raised following studies of the cosmos by the European Space Agency's Planck telescope.

The value is now nearly a fifth up on previous estimates.

Dark energy is the component that contributes most to the mass/energy density of the Universe at 68.3%. Dark energy is the name given to the force thought to be accelerating the expansion of the Universe. Its character is even more obscure to science than dark matter.