눈에 보이지 않는 암흑물질을 가시광선으로 변환

은하단(왼쪽), 암흑물질 고리가 보이는 오른쪽(오른쪽). 이미지 제공: NASA, ESA, MJ Jee 및 H. 포드(존스홉킨스대학교)

암흑 물질에 대한 탐사는 축을 감지하도록 설계된 새로운 실험 기술을 사용하고 첨단 기술과 학제간 협력을 활용하여 우주의 이 파악하기 어려운 구성 요소의 비밀을 밝혀내면서 발전하고 있습니다.

유령이 우리 세상에 출몰합니다. 이것은 수십 년 동안 천문학과 우주론에서 알려져 왔습니다. 노트 나는 그것을 제안한다 약 85% 우주의 모든 물질은 신비롭고 눈에 보이지 않습니다. 이 두 가지 특성은 암흑 물질이라는 이름에 반영되어 있습니다.

여러 실험 그들은 성분을 밝히는 것을 목표로 삼고 있지만 수십 년 간의 연구에도 불구하고 과학자들은 부족한 결과를 얻었습니다. 지금 우리의 새로운 경험에서 공사중 예일대 학교 미국에서는 새로운 전술을 제시합니다.

암흑물질은 태초부터 우주 주위에 존재해 왔습니다. 별과 은하를 함께 끌어당기세요. 눈에 보이지 않고 미묘하기 때문에 빛이나 다른 유형의 물질과 상호 작용하지 않는 것으로 보입니다. 사실 그것은 완전히 새로운 것이어야 합니다.

입자 물리학의 표준 모델은 불완전하며 이것이 문제입니다. 우리는 새로운 것을 찾아야 한다 기본 입자. 놀랍게도 표준 모델의 동일한 결함이 어디에 숨어 있는지에 대한 귀중한 힌트를 제공합니다.

중성자의 문제

예를 들어 중성자를 생각해 보세요. 양성자와 함께 원자핵을 형성합니다. 일반적으로 중성이지만 이론에 따르면 쿼크라고 불리는 세 개의 하전 입자로 구성되어 있습니다. 이러한 이유로 우리는 중성자의 일부 부분이 양전하를 띠고 다른 부분은 음전하를 띠게 될 것으로 예상합니다. 이는 물리학자들이 전기 쌍극자 모멘트라고 부르는 것을 의미합니다.

지금까지, 많은 시도 이를 측정해 보면 같은 결론이 나옵니다. 발견하기에는 너무 작습니다. 또 다른 유령. 우리는 도구의 단점에 대해 말하는 것이 아니라 오히려 100억 분의 1보다 작아야 하는 요소에 대해 이야기하고 있습니다. 너무 작아서 사람들은 그것이 완전히 0이 될 수 있는지 궁금해합니다.

그러나 물리학에서는 수학적 0이 항상 강력한 표현입니다. 1970년대 후반에 입자물리학자인 로베르토 피치(Roberto Picci)와 헬렌 코인(Helen Coyne)(나중에 프랭크 윌첵(Frank Wilczek)과 스티븐 와인버그(Steven Weinberg))은 다음과 같은 발견을 시도했습니다. 이론과 증거의 이해.

그들은 매개변수가 아마도 0이 아닐 것이라고 제안했습니다. 오히려 천천히 전하를 잃다가 0으로 진화하는 역동적인 양입니다. 엄청난 폭발. 이론적 계산에 따르면 그러한 사건이 발생했다면 수많은 환상의 빛 입자가 남겨졌음이 분명합니다.

중성자 문제를 “해결”할 수 있기 때문에 세제 브랜드의 이름을 따서 “액시온(axions)”이라고 부릅니다. 그리고 훨씬 더. 액시온은 우주가 시작될 때 만들어졌다면 그 이후로 계속 존재해 왔습니다. 가장 중요한 것은 그 특성이 암흑 물질의 모든 예상 요소를 정의한다는 것입니다. 이러한 이유로 허브는 다음 중 하나가 되었습니다. 선호되는 후보 입자 암흑 물질의 경우.

Axions는 다른 입자와 약하게만 상호 작용합니다. 그러나 이는 그들이 여전히 상당한 상호 작용을 할 것임을 의미합니다. 보이지 않는 축은 아이러니하게도 빛의 본질인 광자를 포함한 일반 입자로 변환될 수 있습니다. 이는 자기장의 존재와 같은 특정 조건에서 발생할 수 있습니다. 이것은 실험 물리학자들에게 신의 선물이다.

실험적 설계

많은 실험 그들은 통제된 실험실 환경에서 Axion의 유령을 불러내려고 시도합니다. 예를 들어 일부는 빛을 축으로 변환한 다음 벽 반대편의 빛으로 축을 변환하는 것을 목표로 합니다.

현재 가장 민감한 접근 방식은 코로나라는 장치를 사용하여 은하계(그리고 지구)에 스며드는 암흑 물질 후광을 표적으로 삼는 것입니다. 이는 강한 자기장에 잠겨 있는 전도성 공동입니다. 전자는 우리 주변의 암흑 물질(축삭이라고 가정)을 포착하는 반면, 후자는 이를 빛으로 바꾸도록 유도합니다. 그 결과, 액시온의 질량에 따라 특정 주파수로 진동하는 전자기 신호가 캐비티 내부에 나타납니다.

이 시스템은 라디오 수신기처럼 작동합니다. 관심 주파수를 차단하려면 적절하게 조정되어야 합니다. 실제로 캐비티의 크기는 다양한 특성 주파수를 수용하기 위해 변경됩니다. 액시온 주파수와 캐비티 주파수가 일치하지 않으면 라디오를 잘못된 채널에 맞추는 것과 같습니다.

강력한 자석은 예일대학교 연구실로 운반됩니다. 신용: 예일 대학교

안타깝게도 우리가 찾고 있는 채널을 미리 예측할 수는 없습니다. 가능한 모든 주파수를 스캔하는 것 외에는 선택의 여지가 없습니다. 이는 마치 주파수 손잡이를 돌릴 때마다 더 크거나 작아져야 하는 오래된 라디오를 사용하여 백색 소음의 바다(건초 더미 속의 바늘)에서 라디오 방송국을 선택하는 것과 같습니다.

그러나 이것이 유일한 과제는 아닙니다. 우주론은 다음을 가리킨다. 수십 기가헤르츠 액시온 검색의 최신 유망한 개척지입니다. 주파수가 높을수록 더 작은 캐비티가 필요하므로 해당 영역을 탐색하려면 의미 있는 양의 신호를 캡처하기에는 너무 작은 캐비티가 필요합니다.

새로운 실험에서는 대체 경로를 찾으려고 노력합니다. 우리의 종방향 플라즈마스코프 실험(알파). 이는 다음을 기반으로 하는 새로운 캐비테이션 개념을 사용합니다. 메타물질.

메타물질은 구성 요소와는 다른 보편적인 특성을 지닌 복합 재료입니다. 이는 부품의 합 그 이상입니다. 전도성 막대로 채워진 공동은 크기가 거의 변하지 않으면서도 백만 배 더 작은 특성 주파수를 갖습니다. 이것이 바로 우리에게 필요한 것입니다. 또한 바에는 조정하기 쉬운 조정 시스템이 내장되어 있습니다.

우리는 현재 몇 년 안에 데이터를 수신할 수 있는 설정을 구축하고 있습니다. 기술은 유망하다. 이 개발은 고체 물리학자, 전기 엔지니어, 입자 물리학자, 심지어 수학자 간의 협력의 결과였습니다.

말도 안 되는 일이지만, 액시온은 그 어떤 유령도 제거할 수 없는 발전을 촉진하고 있습니다.

스톡홀름 대학교 물리학 박사후 연구원인 Andrea Gallo Russo가 집필했습니다.

원래 출판된 기사에서 각색됨 대화.