대형 강입자 충돌기에 대한 혁신적인 접근 방식

연구자들은 표준 모델 입자 제트 내에서 암흑 물질 입자가 실제로 생성되는지 여부를 연구하고 있습니다.

암흑 물질의 존재는 우리 우주에서 오랫동안 미스터리로 남아 있었습니다. 암흑물질은 우주의 약 4분의 1을 차지하지만 일반 물질과 크게 상호작용하지는 않습니다. 암흑 물질의 존재는 최근 제임스 웹 우주 망원경이 촬영한 놀라운 이미지를 포함해 일련의 천체 물리학 및 우주론적 관찰을 통해 확인되었습니다. 그러나 현재까지 암흑물질에 대한 실험적 관찰은 보고된 바가 없다. 암흑 물질의 존재는 전 세계 고에너지 과학자와 천체물리학자들이 수십 년 동안 조사해 온 문제였습니다.

암흑물질 연구의 발전

“이것이 우리가 우주의 가장 깊은 비밀을 탐구하기 위해 기초 과학 연구를 수행하는 이유입니다. 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)는 CERN 요하네스버그 위트워터스랜드 대학 물리학과의 디팩 카르(Deepak Kar) 교수는 “이것은 사상 최대 규모의 실험이며 빅뱅과 같은 조건을 만드는 입자 충돌을 이용해 암흑 물질의 징후를 찾을 수 있다”고 말했습니다. 남아프리카. .

거의 눈에 보이는 제트가 존재하는 경우 ATLAS 감지기에 어떻게 나타나는지 그래픽으로 표현한 것입니다. 크레딧: CERN

Carr와 전 박사과정 학생인 Sukanya Sinha(현재 맨체스터 대학의 박사후 연구원)는 CERN에서 ATLAS 실험을 진행하면서 암흑 물질을 검색하는 새로운 방법을 고안했습니다. 그들의 연구는 저널에 게재되었습니다. 물리학 편지 B.

암흑물질 탐지를 위한 새로운 접근법

Carr는 “지난 수십 년 동안 LHC에서 암흑 물질에 대한 수많은 검색이 있었고 그들은 약하게 상호 작용하는 거대 입자, 즉 WIMP에 초점을 맞추었습니다.”라고 말했습니다. “WIMPS는 빛을 흡수하거나 방출하지 않고 다른 입자와 강하게 상호작용하지 않기 때문에 암흑물질을 설명할 것으로 추정되는 입자 종류 중 하나입니다. 그러나 아직까지 WIMP의 존재에 대한 증거는 발견되지 않았기 때문에 우리는 암흑물질 탐색에는 양자도약이 필요하다는 사실을 깨달았습니다.

Sukanya Sinha 박사와 Deepak Kar 교수. 신용: Wits 대학

Carr는 “우리가 궁금했던 것은 암흑 물질 입자가 실제로 표준 모델 입자 흐름 내에서 생성되고 있는지 여부였습니다.”라고 말했습니다. 이로 인해 과학자들은 이전에 한 번도 본 적이 없었던 거의 가시적 제트(near-visible jets)라고 알려진 새로운 탐지기 특징이 발견되었습니다.

고에너지 양성자 충돌은 종종 일반 쿼크나 글루온의 붕괴로 인해 소위 제트라고 불리는 입자의 평행한 분사를 생성합니다. 가상의 암흑 쿼크가 부분적으로는 표준 모델 쿼크(알려진 입자)로, 부분적으로는 안정한 암흑 강입자(“보이지 않는 부분”)로 붕괴될 때 반가시적 흐름이 발생할 수 있습니다. 일반적으로 추가 표준 모델 제트와 함께 쌍으로 생산되기 때문에 모든 제트가 완벽하게 균형을 이루지 않으면 감지기의 에너지 불균형 또는 에너지 손실이 발생합니다. 손실된 에너지의 방향은 거의 눈에 보이는 제트 중 하나에 해당하는 경우가 많습니다.

이로 인해 거의 눈에 보이는 제트를 검색하는 것이 매우 어려워집니다. 이 이벤트 시그니처는 감지기에서 잘못 측정된 제트로 인해 발생할 수도 있기 때문입니다. Carr와 Sinha의 새로운 암흑 물질 탐색 방법은 암흑 물질의 존재 탐색에 새로운 방향을 제시합니다.

“내 박사 논문에는 암흑 물질의 발견이 포함되어 있지 않지만 이 생성 방식에 대한 최초이자 상당히 엄격한 상한선을 설정했으며 이미 추가 연구에 영감을 주고 있습니다.”라고 Sinha는 말합니다.

CERN의 ATLAS 협력은 이를 여름 컨퍼런스에서 발표할 주요 결과 중 하나로 강조했습니다.

참조: ATLAS Collaboration의 “ATLAS Run 2 데이터를 사용한 거의 눈에 보이는 제트의 비공진 생성 조사”, 2023년 11월 11일, 물리학 편지 B.
도이: 10.1016/j.physletb.2023.138324

여기에 표시된 ATLAS 열량계와 같은 유럽의 대형 강입자 충돌기에서의 실험은 기본 입자에 대한 보다 정확한 측정을 제공합니다. 이미지 출처: 막시밀리안 프라이스, CERN

아틀라스 체험

ATLAS 실험은 유럽 핵 연구 기구인 CERN의 가장 중요한 과학적 노력 중 하나입니다. 이는 세계에서 가장 크고 강력한 입자 가속기인 LHC(Large Hadron Collider)의 핵심 부품입니다. 제네바 근처에 위치한 ATLAS(A Toroidal LHC ApparatuS)는 물리학의 근본적인 측면을 탐구하는 데 중점을 두고 있습니다.

ATLAS는 광범위한 과학적 질문을 탐구하도록 설계되었습니다. 그것은 태초부터 우리 세계를 형성하고 그 운명을 결정하게 될 근본적인 힘을 이해하려고 노력합니다. 주요 목표 중 하나는 다른 입자에게 질량을 제공하는 힉스 장과 관련된 입자인 힉스 보존을 연구하는 것입니다. 2012년 ATLAS와 CMS(Compact Muon Solenoid) 실험의 공동 노력으로 힉스 보존을 발견한 것은 물리학의 획기적인 성과였습니다.

이 실험은 또한 질량의 기원, 추가 차원 및 암흑 물질을 구성할 수 있는 입자를 포함하여 새로운 물리학의 징후를 검색합니다. ATLAS는 LHC 내부에서 양성자가 거의 빛의 속도로 충돌할 때 생성되는 수많은 입자를 분석하여 이를 수행합니다.

ATLAS 탐지기 자체는 기술적 경이로움입니다. 길이 약 45미터, 지름 25미터, 무게 약 7,000톤에 달하는 거대한 크기입니다. 검출기는 다양한 층으로 구성되며, 각 층은 양성자-양성자 충돌로 인해 발생하는 다양한 유형의 입자를 검출하도록 설계되었습니다. 여기에는 입자 궤적을 감지하는 추적기, 에너지를 측정하는 열량계, 많은 물리학 연구의 기본이 되는 중전자 유형인 뮤온을 식별하고 측정하는 뮤온 분광계 등 다양한 기술이 포함됩니다.

ATLAS가 수집한 데이터는 엄청나며 종종 페타바이트 단위로 설명됩니다. 이 데이터는 글로벌 과학자 커뮤니티에서 분석되어 기초 물리학에 대한 이해에 기여하고 잠재적으로 새로운 발견과 기술로 이어집니다.