참세상

허블 우주 망원경으로 관측한 아벨 1689 은하단(약 1,000개의 은하와 수조 개의 별을 포함)에서 암흑 물질의 존재를 나타내는 강한 중력 렌즈 효과. 출처: NASA, ESA, D. Coe(NASA JPL/칼텍 및 STScI)

암흑물질이 존재하지 않는다고 생각할 때가 온 것일까? 우주의 80%를 차지하는 미지의 물질을 설명할 다른 대안을 찾아야 할 때가 온 것일까? 현재 일부 과학자들은 암흑물질이 물질이 아니라 중력 이론에 대한 불완전한 이해로 인한 현상일 가능성을 고려하고 있다.

우주의 기원

오늘날 과학자들은 빅뱅 이론이 우주의 기원을 가장 잘 설명하는 이론이라는 데에 동의하고 있다. 즉, 우주는 약 138억 년 전에 무한히 밀도가 높은 특이점에서 폭발하여 탄생했다. 이 폭발은 막대한 양의 에너지와 물질을 생성했고, 그 모든 것이 지금까지 팽창해 왔다.

놀랍게도 우리는 우주에 존재하는 물질의 약 5%만을 알고 있고 이해하고 있다. 심지어 이 작은 비율 안에서도 물질과 반물질의 차이와 같은 설명되지 않는 부분들이 있다.

소립자 물리학 및 소립자 간의 상호작용에 대한 연구는 우주의 상태와 진화를 밝히기 위한 노력이다. 그리고 해결해야 할 여러 미지의 문제 중에서도 암흑물질의 본질을 규명하는 것은 현대 우주론과 소립자 물리학에서 가장 중요한 과제 중 하나다.

우리는 우주가 보이는 물질과 암흑물질로 이루어져 있다는 것을 알고 있다. 특히 보이는 물질, 즉 일반 물질 또는 바리온 물질은 렙톤(소립자)과 바리온(쿼크로 이루어진 소립자)으로 구성된다. 이 물질은 우주의 20%에 불과하고 나머지 80%는 암흑물질이다.

또한 우주의 가속 팽창을 설명하는 어떤 요소가 있어야 하는데, 이는 현재 암흑에너지로 설명되고 있다.

베라 루빈의 발견

암흑물질과 암흑에너지는 우주의 거의 95%를 구성하고 있다. 암흑물질은 어떤 전자기 복사도 방출하지 않기 때문에 우리가 볼 수 없다.

암흑물질의 존재에 대한 많은 증거는 은하의 운동을 연구한 결과에서 나왔다. 우주 배경 복사의 분석도 보이는 물질과 암흑물질의 양에 대한 정보를 제공한다.

1933년 프리츠 츠비키는 은하의 회전 속도에 영향을 미칠 수 있는 보이지 않는 질량이 존재한다고 제안했다. 베라 루빈은 나선 은하 내에서 별들의 회전 속도 곡선을 측정하여 이 곡선이 평평하다는 것을 발견했다.

베라 루빈의 발견은 은하 중심에서 멀리 떨어진 별들의 속도가 더 느릴 것이라는 이론적 모델을 반박했다. 이 현상은 보이는 물질과 그에 따른 중력만으로는 설명할 수 없고, 중력 에너지를 제공하는 또 다른 형태의 물질이 있어야 한다. 이것이 암흑물질의 존재에 대한 가장 직접적이고 강력한 증거이다.

그 이후 수십 년 동안 암흑물질과 관련된 증거가 더 많이 수집되었고, 오늘날 대부분의 과학자는 그 존재를 받아들이고 있다.

암흑물질을 찾기 위한 최첨단 실험들

암흑물질은 빛을 흡수하거나 반사하거나 방출하지 않는 입자들로 구성되어 있어 직접 볼 수 없으며, 그 구성은 아직 알려지지 않았다.

과학자들은 암흑물질의 후보가 될 수 있는 입자들을 찾기 위해 다양한 전략을 설계했다. 이를 찾아내는 것은 현재 물리학에서 가장 큰 도전 과제 중 하나이다.

암흑물질 탐색에는 직접적, 간접적 탐색 방법과 입자 가속기를 이용한 방법이 있다.

최근 수십 년 동안 기술 발전은 엄청났다. 고정밀, 고감도 장비를 사용하여 암흑물질의 본질을 이해하기 위한 수십 개의 실험이 진행되고 있다.

이 실험들은 전 세계에 걸쳐 있으며, 국제우주정거장(ISS)에도 하나가 있다. 이들은 수십 명의 과학자들로 이루어진 국제적 협력의 일환으로 진행되고 있다.

ANAIS, DAMA, XENON100, LUX 등의 실험들은 직접 탐지 기술을 사용하고, MAGIC, HESS, VERITAS, 페르미, AMS(ISS에 설치됨) 등의 실험들은 간접 탐지 기술을 사용하여 자연에서 일어나는 현상을 관측하고 소립자를 찾는다.

첫 번째 경우에는 보이는 물질 입자와 암흑물질 입자 간의 충돌로부터 생성되는 입자들이 연구되고, 두 번째 경우에는 암흑물질 입자끼리의 충돌로부터 생성되는 입자들이 연구된다.

LHC에서 암흑물질 입자를 “만들다”

유럽입자물리연구소(CERN)의 대형 강입자 충돌기(LHC)와 같은 고에너지 입자 가속기에서는 빅뱅 직후의 조건을 재현하고 고에너지 양성자 충돌을 통해 암흑물질 입자를 생산할 수 있다.

가속기는 안정적인 전하를 띤 입자의 운동 에너지를 증가시키는 장치다.

LHC는 에너지가 약 7TeV(테라 전자볼트)에 달하는 양성자 빔을 충돌시키며, 충돌 지점 주위에는 각 충돌에서 생성되는 입자를 측정하고 식별할 수 있는 탐지기가 배치된다.

이러한 암흑물질 탐색은 CERN의 LHC에서 ATLAS와 CMS 실험이 담당하고 있다. 이들은 2012년 오랜 탐색 끝에 힉스 입자를 발견함으로써 소립자 물리학 표준 모델을 완성하고, 물리학의 새로운 시대를 열었다.

이 성과는 2013년 노벨 물리학상과 프린시페 데 아스투리아스 과학기술상을 수상했다.

이러한 유형의 실험에서 암흑물질 후보 입자를 식별하는 것이 어려운 이유는 암흑물질이 일반 물질과 매우 약하게 상호작용하기 때문에 그 흔적을 찾기가 거의 불가능하기 때문이다.

컴팩트 뮤온 솔레노이드(CMS)는 LHC의 대형 실험 중 하나다. 암흑 물질을 구성하는 입자를 찾는 것을 목표로 하는 대형 검출기다. 출처: CERN

미지의 과정 탐구

표준 모델을 넘어서는 이론들, 예를 들어 초대칭, 스칼라 보손을 포함한 단순화 모델, 암흑 섹터 모델 등을 통해 관측 가능한 입자로 붕괴하는 암흑물질의 연구가 진행되고 있다. 이러한 탐색은 우리가 암흑물질의 구성 요소를 이해하는 데 도움이 될 미지의 과정을 연구하는 길로 이어질 수 있다. 이는 현재 지식의 경계를 넘는 일이 될 것이다.

현재까지 암흑물질 후보에 대한 아무런 발견도 없으며, 수십 년간 답을 찾지 못한 미스터리로 남아 있다. 그리고 물리학자들 사이에서 이견이 생기기 시작했다.

입자 가속기나 우주 입자를 사용한 모든 탐색 전략에서 결정적인 결과가 나오지 않았고, 모든 가능성은 열려 있다.

암흑물질이 존재하지 않을 수도 있다고 생각하는 과학자들

2021년에 《천체물리학 저널》에 암흑물질을 중력의 변형으로 정의하자는 논문이 발표되었다. 이 논문은 실제로 암흑물질이 존재하는 것이 아니라 우리가 중력의 일부를 제대로 이해하지 못하고 있다는 주장을 담고 있었다. 이 논문은 큰 반향을 일으켰지만, 곧바로 저자들이 고려하지 않은 모순점을 지적하는 답변들이 나왔다. 그래서 현재로서는 여전히 암흑물질이 존재한다고 생각하고 있다.

앞으로 몇 년간 암흑물질의 탐지가 이루어질 것이라는 큰 기대가 있지만, 매우 아마도 그 답은 단일 연구가 아닌 여러 연구의 종합에서 나올 것이다. 탐색은 계속되고 있다.

[출처] ¿Qué está pasando con la materia oscura del Universo? (theconversation.com)

[번역] 하주영