암흑물질의 후보 뉴트랄리노

암흑 물질의 후보

초기의 한 후보는 1977년에 제안된 액시온(axion)으로, 강력의 행동을 보정하여 물질이 반물질보다 미미하나마 더 많이 생기도록 해 준다. 연구자들은 이 입자가 물질 반물질의 문제를 깨끗이 해치워 버리기를 바라는 뜻에서 그 이름을 세제의 상표명에서 따왔다. 실험가들은 2005년의 한 실험에서 액시온을 검출했다고 믿었지만 이어진 실험에서 부정되었고 이후 탐구는 계속되고 있다.

1970년대에 입자 물리학자들은 초대칭(supersymmetry) 개념을 제안했다. 오늘날 과학자들은 알려진 근본 입자들을 페르미온 (fermion)과 보손(boson), 두 가지로 나눈다. 페르미온은 여러 입자가 서로 같은 물리적 공간을 점유할 수 없다. 이는 우리가 아는 일반적인 물질의 특성으로서, 페르미온은 물질과 관련된다. 쿼크 와 전자, 뉴트리노 등이 페르미온에 속한다. 쿼크는 서로 결합하 여 원자핵을 구성하는 입자들을 만들며, 여기에 전자가 결합하면 원자가 된다. 한편 보손은 힘이나 에너지와 관련된다. 이것들은 서로 얼마든지 가까이 다가설 수 있으며 심지어 함께 뭉쳐 같은 자리를 차지할 수도 있다. 여기에는 전자기력을 전달하는 광자, 약력을 전달하는 W 입자와 Z 입자, 질량이라는 속성의 근원이 되는 것으로 여겨지는 유명한 힉스 보손(Higgs boson) 등이 있다. 초대칭 이론은 모든 입자에 초짝입자 (superpartner)가 짝지어진다고 주장한다. 곧 모든 페르미온에는 나름의 보손이 관련되고, 반대로 모든 보손에는 나름의 페르미온이 관련된다. 그러므로 이에 따르면 자연에 존재한다고 예상되는 입자의 수는 두 배가 된다. 암흑 물질의 후보는 보손의 초짝입자인 페르미온으로, 질량을 가진 물질을 이룬다. 이러한 초짝입자 페르미온을 통틀어 '뉴 트랄리노(neutralino)'라고 한다.

스위스에 있는 LHC는 입자 다발을 충돌시켜 수많은 뉴트랄리노를 만들어 낼 수 있지만 검출할 수는 없다. 뉴트랄리노는 물질 과 너무나 약하게 상호 작용하므로 집채만 한 검출기의 벽을 유령 처럼 투과하면서도 아무런 흔적을 남기지 않기 때문이다. 하지만 그 존재가 간접적으로도 부정된다는 뜻은 아니다. 뉴트랄리노가 많은 에너지를 빼앗아 갈수록 LHC에 투입했던 에너지와, 충돌한 뒤 검출된 입자들의 에너지를 모두 합한 것과의 차이가 커지므로 그 존재가 간접적으로 드러난다. 이 두 에너지의 차이는 바로 이 충돌 실험에서 생성되어 에너지를 훔쳐 달아나는 초대칭성 입자 가 존재한다는 사실을 암시한다.

그런 에너지 부족이 발견되었다 하더라도 수많은 뉴트랄리노 가운데 어느것이 관련되었는지를 가려내기란 쉽지 않다. 천문학 자들은 각각의 입자가 아니라 암흑 물질 구름을 컴퓨터로 모델링 하면서 연구하므로 이런 경우에 아무런 도움도 주지 못한다. 그들이 주로 다루는 가장 작은 구름만 해도 태양보다 더 무거우므로 이처럼 대규모 시뮬레이션 실험에서 개별 입자의 특성을 추출해 낸다는 것은 불가능하다. 따라서 뉴트랄리노가 무엇인지를 밝히 는 유일한 방법은 거의 불가능한 일이지만 어떻게든 그중 하나를 붙잡는 것이다.

암흑 물질 붙잡기

암흑 물질과 보통 물질 사이의 상호 작용은 매우 약하다. 하지만 암흑 물질이 엄청나게 많이 존재한다고 여겨지므로 그 미약한 상호 작용을 보완할 수 있다. 다시 말해서 어느 때라도 엄청난 양의 암흑 물질이 검출기를 지나간다면 적어도 그중 몇 개는 검출될 수 있을 것이다. 근래 전 세계적으로 대여섯 건의 암흑 물질 실험이 행해지고 있는데, 각각의 장비는 암흑 물질이 존재할 경우 충분히 검출할 수 있을 정도의 감도를 갖고 있다. 어떤 것은 암흑 물질의 입자가 검출기에 붙들릴 때 발생하는 열을 검출하려는가 하면, 다른 어떤 것은 암흑 물질 입자가 검출기 안의 원자를 스치며 지나 갈 때 발생하는 희미한 빛을 검출하고자 한다. 어떤 장비가 검출 에 성공하는 물리학자들은 검출된 입자의 성질을 계산해 낼 수 있 을 것이다. 하지만 많아야 1년에 몇 개에 불과할 것으로 예상되므로 확실한 실험 결과를 모으고 암흑 물질의 종류가 적어도 둘 이 상이란 점을 밝히는 데에는 오랜 시간이 걸릴 것이다.

뉴트랄리노가 검출되었다고 해도 그것이 바로 천문학자들이 찾고 있던 암흑 물질이라는 보장은 없다. 필요한 중력을 발휘할 만 큼 충분한 양이 존재하지 않을 수도 있고 오랫동안 존재할 정도로 수명이 길지 않을 수도 있다. 암흑 물질의 양과 수명을 점검할 때 천문학자들은 이 둘 사이의 관계를 함께 살펴야 한다. 초대칭성 입자와 보통 입자 사이의 상호 작용이 매우 약하다고 해서 초대칭 성 입자들 사이의 상호 작용도 그렇다고 볼 수는 없다. 암흑 물질 의 이론적 모델에 따르면 동일한 두 입자가 충돌할 때는 함께 소멸하면서 한 쌍의 감마선을 방출한다. 천문학자들은 이런 신호가 은하계 중심부나 주변의 작은 은하들에서 관측되리라고 예상한다. 왜냐하면 그런 곳에는 암흑 물질의 밀도가 높을 것으로 여겨 지기 때문인데, 이에 따라 인공위성을 이용하여 이런 신호를 찾으 려는 관측이 이미 진행되고 있다.

이렇게 하여 액시온과 뉴트랄리노, 다른 암흑 물질의 비율이 결 정되면 뉴트리노도 함께 고려해야 한다. 한때 질량이 없다고 여겨졌던 뉴트리노가 최근의 실험에서 미미하나마 질량이 있다고 밝혀졌기 때문이다. 따라서 뉴트리노도 존재하는 곳마다 중력에 나름의 몫을 기여한다.