암흑물질로부터 온 것일 수도 있는 여분의 양전자 VIDEO: Antimatter Particles Are Crashing into Earth, And Scientists Don't Know Why
반물질이 지구를 향해 달려오고 있는데
정작 과학자들은 그 이유를 모르고 있다.
멕시코 HAWC(High Altitute Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory, 고고도수조체렌코프감마선 관측소)를 통해서 물리학자들은 PAMELA 위성에서 관측된 미스터리한 여분의 고에너지 양전자들은 두 개의 인근 펄서(pulsar, 맥동전파원)에서 온 것이 아니라고 한다. 이번 발견으로 양전자 기원에 대해 새로운 설명이 가능해진다. 이 중에는 암흑물질 입자들의 소멸 또는 붕괴로 인해 생성되었을 가능성도 포함된다.
source Quora
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미스터리는 지난 2008 년으로 거슬러 올라간다. PAMELA 위성(반물질을 조사하기 위해서 지구 궤도를 선회하는 최초의 인공위성 검지기)으로부터 예상치 못한 많은 수의 고에너지 양전자들이 검출되었다.
그로부터 두 가지 그럴듯한 설명을 놓고 물리학자들간에 논란이 있어왔다. 한 가지 가능성은 인근의 펄서풍 성운(pulsar wind nebulae)으로부터 양전자들이 날아왔다는 것이다. 이는 빠르게 회전하는 중성자별들로 일종의 우주선(cosmic ray) 가속기 역할을 하면서 전자나 양전자를 생성한다는 것이다. 또 다른 가능성으로는 양전자들이 인근 암흑물질 프로세스를 포함한 지금까지 관측되지 않은 프로세스에 의해서 생성된다는 것이다.
HAWC 관측기는 300 개의 수조로 되어 있다. 각각의 수조(높이 5 m, 직경 7.3 m)에는 약 188,000 리터의
물과 4 개의 광검출기가 들어있다. Courtesy: Jordan A Goodman)
혼탁한 성간 구름
두 개의 펄서들은 GEminga 및 PSR B0656+14 들로 시간이나 거리를 생각했을 경우 최선의 후보들이다. 그러나 이들 펄서 주변의 감마선을 조사한 결과 HAWC 연구팀은 이들이 모두 크게 확장되어 있는 혼탁한 성간 구름에 둘러싸여 있기 때문에 양전자들이 지구까지 도달할 수 없다는 결론을 내렸다. 한편 펄서들일 가능성을 배제했다고 해서 양전자들이 전적으로 암흑물질에 기원을 둔 것이라고 증명된 것은 아니다.
PAMELA 연구팀이었던 로마 토르 베르가타 대학(Universiry of Rome Tor Vergata)의 피에르지오르지오 피코자(Piergiorgio Picozza)는 새로운 결과는 지금까지 가장 유력했던 펄서론을 제외시키게 되었다고 말한다. 가장 간단한 펄서론이 사라지고 암흑물질론이 대두되었으며 물리학계는 이제 암흑물질론을 놓고 생각해야 한다고 말한다.
멕시코 대학의 HAWC 멕시코 대변인인 안드레스 산도발(Andres Sandoval)은 펄서론이 배제될 것이라고는 예상치 못했다. 그에게는 이번 결과가 매우 놀라운 것이었다.
의문점은 남고
그러나 산도발은 아직은 암흑물질 기원론에 대해 유보적인 입장이다. 보수적인 물리학자로서 산도발은 양전자의 기원이 펄서라야 한다고 생각하며 아직은 많은 의문점이 남아 있다고 한다.
암흑물질 입자들의 소멸이나 붕괴 이외에도, HAWK 연구팀은 양전자들이 제 3의 펄서들로부터 온 것으로 믿고 있다. 물론 이번에 제외된 두 펄서들보다 더 좋은 후보는 없다. 한편 또 다른 형태의 우주 가속기들, 예를 들어 마이크로 펄서나 초신성 잔해들도 기원일 수 있으며 혹은 양전자들이 2차적 입자(secondary particle) 생성의 결과일 수도 있다.
산도발은 이번 발견이 HAWC 공동연구팀에겐 가장 중요한 것이었지만, 여전히 더 많은 발견을 할 수 있으며 2018년 봄까지는 지금까지 예측하지 못한 새로운 발견이 나올 것으로 예상한다.
아직은 확신할 수 없다.
그러나 시카고 대학 댄 후퍼(Dan Hooper)를 위시하여 아직은 모든 이들이 펄서 기원론을 내버린 것은 아니다.
후퍼(Hooper) 연구팀은 HAWC 데이터 해석에 이견을 갖고 있으며 정반대의 주장을 편다. 올 초에 발표된 논문에서 후퍼 연구팀은 어째서 두 펄서들이 여분의 양전자에 대한 기원이 되는지를 주장했다.
후퍼는 자신의 결론에 확신을 갖는다. 모든 것은 해석의 문제, 즉, 입자들이 성간 매체들을 어떻게 통과하는 가에 대한 해석의 문제라고 그는 말한다. 같은 사실을 두고 입자들이 어떻게 산란하는가에 대한 해석이 다른 것이라고 한다.
바람을 타고
후퍼(Hooper) 연구팀은 양전자들이 지구까지 올 수 있도록 충분히 강한 대류풍(convective wind)이 있다고 주장한다. 대류풍(convective wind)이란 펄서들이 생성하는 전자와 양전자의 바람으로 주위를 둘러싼 성간 매체들과의 충격으로 인하여 가속된다.
HAWC 연구팀은 이런 견해에 대해서 새로운 측정 결과는 입자들이 대류풍보다는 산란(diffusion)에 의해 지구에 도달하는 모델을 지지하고 있다고 주장한다. 강한 (전자와 양전자의) 바람에 힘을 공급할 수 있는 에너지원을 발견하지 못했다고 한다.
그러나 후퍼(Hooper)는 HAWC의 새로운 데이터가 매우 흥미로우며 아직은 빙산의 일각일 뿐이라고 말한다.
HAWC 관측 결과는 저널 사이언스에 실렸다.
작성자 HANS
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