피터 레이 앨리슨
원자보다 작고, 일반 물질과 거의 상호작용하지 않으며, 심지어 존재하지도 않는 것을 어떻게 찾을 수 있습니까? 대답은 당신이 크게 나아가는 것입니다. 매우 큰.
같은 이름의 그리스 타이탄처럼, 아틀라스 거대한 비율의 대상입니다. 그 이름은 역대 최악의 약어 중 하나인 "A Toroidal LHC Apparatus"의 약자입니다. 영원히 하늘을 떠받치는 형벌을 받은 이 ATLAS는 LHC(Large Hadron Collider)의 일부를 구성하는 아원자 입자 탐지기CERN.
더 멀리 보려면 점점 더 큰 망원경이 필요한 것과 마찬가지로(단지 망원경의 크기를 살펴보십시오.)아레시보 천문대), 우주의 원자 수준을 보려면 점점 더 큰 탐지기를 구축해야 합니다. 직경 25m, 길이 44m의 ATLAS의 경우(편안하게 수용할 수 있을 만큼 큰 크기) 중형 테라스하우스 27개), 이론적 암흑물질의 존재를 탐지하고 확인하기 위한 것이다.
ATLAS가 엄청난 성과에 안주하는 것은 아닙니다. 안정성과 신뢰성이 향상된 최근 업그레이드된 LHC는 이제 매초 10억 건의 양성자-양성자 충돌을 일으키고 있습니다. 이처럼 ATLAS 실험은 예상했던 데이터 양의 두 배에 달하는 1000조 개 이상의 입자 충돌을 수집했습니다. 이렇게 증가된 데이터 수집 속도는 ATLAS가 내년에 업그레이드되어야 함을 의미합니다.
그렇다면 우리는 왜 암흑물질에 관심을 갖는 걸까요?
우리가 암흑 물질에 그토록 관심을 갖는 이유는 우리가 보고 물리적으로 만질 수 있는 눈에 보이는 우주가 실제로 존재하는 것의 작은 부분만을 차지하기 때문입니다. 우리에게 보이는 보통(중입자) 물질은 우주의 4%만을 차지하는 것으로 추정됩니다. 암흑물질은 23%를 손상시키고 나머지는 암흑에너지로 구성되어 있는 것으로 생각됩니다.
암흑물질은 거의 100년 전 네덜란드 천문학자 야코부스 캅테인(Jacobus Kapteyn)이 은하 회전을 관찰한 결과로 처음으로 가설이 세워졌습니다. 은하에 대한 연구에 따르면 우주에는 상당한 양의 물질이 빠져 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 본질적으로, 처음에 믿었던 것보다 훨씬 더 많은 물질이 존재하지 않는 한, 우주는 그 자체로 구조화되지 않았을 것입니다. 아니면 방정식이 틀렸거나…
암흑물질과 암흑에너지를 이렇게 부르는 이유는 문자 그대로 어둡거나 검기 때문이 아니라 우리가 볼 수 없기 때문입니다. 암흑 물질은 제한된 방식으로만 눈에 보이는 우주와 상호 작용하지만 그럼에도 불구하고 우주 전체에 심오한 영향을 미치는 아원자 입자로 구성되어 있다고 믿어집니다.
그것은 우주에 대한 우리의 이해에 놀라운 영향을 미칩니다.
암흑물질에 대한 가설이 여러 차례 입증된 점을 감안할 때, 아직까지 암흑물질이 발견되지 않았다는 것이 유일한 설명이다. 암흑물질은 믿을 수 없을 정도로 작고, 미세한 중력을 갖고 있음에도 불구하고 그 양은 너무나 풍부합니다. 눈에 보이는 물질과 비교했을 때, 그것은 사물에 대한 우리의 이해에 놀라운 영향을 미칩니다. 우주.
암흑 물질이 없었다면 은하계는 회전 각도와 시선 속도(회전 속도) 측면에서 지금처럼 형성되지 않았을 것입니다. 최근에 발견된 Dragonfly 44(공상 과학 쇼의 멋진 이름)는 은하수의 어두운 쌍둥이입니다. 이 "유령" 은하계는 질량이 우리 은하계와 거의 같지만, 별 수와 구조 측면에서는 반대입니다.
암흑 물질의 중력이 끌어당기는 누적 효과로 인해 암흑 물질은 빛을 편향시킬 수 있습니다. 이러한 효과를 중력 렌즈라고 합니다. 과학자와 천문학자들은 먼 은하계의 빛에 대한 중력 렌즈 효과를 관찰함으로써 우주 내 암흑 물질의 분포를 이해할 수 있습니다.
셰필드 대학의 Davide Costanzo 교수는 “암흑 물질의 문제는 우리가 볼 수는 없지만 여전히 중력 효과를 가지고 있다는 것입니다.”라고 설명합니다. "그래서 덩어리가 있어도 [중력에 의해] 여전히 끌어당겨질 것입니다."
ATLAS를 방정식에 적용
현재로서는 암흑물질을 직접 감지하고 측정할 수는 없지만, 감지할 수 있는 것은 암흑물질과 가시물질의 상호작용입니다. 이러한 관찰과 우주 배경의 엔트로피를 측정함으로써 우리는 암흑 물질이 얼마나 많이 존재하는지 추론할 수 있습니다.
우리는 또한 암흑물질이 다른 아원자 입자와 상호작용하는 방식을 탐지할 수 있습니다. 이러한 상호작용을 통해 우리는 암흑물질의 존재를 확인할 수 있습니다. 이러한 상호 작용이 어떻게 감지되는지 보여주는 예 중 하나가 ATLAS 실험입니다.
LHC가 두 입자가 0.999999990의 속도로 이동하는 동안 서로 충돌하는 지점을 모니터링하여 작동합니다.씨, 이는 빛의 속도보다 약 11km/h(거의 7mph) 느리거나 Star Trek의 워프 팩터 1보다 약간 느립니다. 결과적인 충돌은 최대 13TeV(1.3×1013V, 즉 13조 전자볼트).
결과적인 충돌로 인해 한 방향으로 발사되는 하나의 아원자 입자와 반대 방향으로 발사되는 암흑 물질의 두 번째 입자가 생성될 수 있습니다.
충돌의 결과로 생성된 입자를 감지하기 위해 충돌체를 둘러싸고 있는 여러 레이어의 ATLAS 감지기가 있습니다. 이러한 각 레이어는 충돌로 인해 생성된 다양한 입자 유형을 캡처 및/또는 감지하기 위한 것입니다.
ATLAS는 납과 철을 사용합니다. 금은 납보다 밀도가 훨씬 높기 때문에 좋았을 것입니다. 그러나 약간 비쌀 수 있습니다.
ATLAS 실험의 가장 안쪽 층은 훨씬 더 큰 규모를 제외하고는 디지털 카메라에 사용되는 것과 동일한 실리콘 감지기로 구성됩니다. ATLAS의 외부층은 다량의 고밀도 물질을 사용해야 하는 고에너지 입자를 포착하기 위한 것입니다. 이 경우 ATLAS는 납과 철을 사용합니다. 금은 납보다 밀도가 훨씬 높기 때문에 좋았을 것입니다. 그러나 약간 비쌀 수 있습니다.
코스탄조 교수는 “LHC에서 우리가 발견한 것은 빅뱅으로 인한 암흑물질이 아니라 충돌의 결과로 생성된 새로운 암흑물질”이라고 설명했다. “문제는 우리가 그것들을 생산한 후에 그것들을 발견할 수 없다는 것입니다. 우리가 그것들을 생성할 때 우리는 다른 입자들을 생성하고, 뭔가가 빠졌기 때문에 우리가 [암흑 물질]을 생성했다고 추론합니다.”
ATLAS가 그토록 큰 이유는 놀라울 정도로 정밀한 측정을 수행하기 때문에 복잡한 엔지니어링이 필요하기 때문입니다. 이 외에도 ATLAS 케이스는 우주선, 특히 뮤온으로부터 실험을 보호하여 센서 간섭을 방지합니다. 요크셔의 볼비 광산암흑물질 연구도 수행 지하 1km를 우주 광선의 간섭으로부터 보호합니다.
암흑 물질에 대한 연구를 통해 CERN은 점점 더 작은 입자를 감지할 수 있는 새로운 센서와 수단을 개발했습니다. Costanzo 교수는 “우리는 많은 분야에서 많은 발전을 이루었지만 새로운 발견이 무엇을 가져올 수 있는지 결코 알 수 없습니다.”라고 말합니다. “전자가 발견됐을 때는 괜찮았는데, 이제는 모든 것이 전기를 기반으로 하고 있어요.”
관련 보기
다양한 각도에서 다양한 실험이 진행되고 있으므로 암흑물질을 탐지하는 것은 시간 문제일 뿐입니다. 암흑물질 실험의 차세대 가장 큰 것은 LUX-Zeppelin(Large Underground Xenon)이 될 것입니다. 및 액체 비활성 가스의 ZonEd 비례 섬광), 이는 남쪽의 지하 깊은 곳에서 수행됩니다. 다코타.
코스탄조 교수는 “힉스 보손처럼 우리도 그것이 존재한다는 것을 알았고 그 존재를 확인하는 데 시간이 걸렸습니다”라고 결론지었습니다. "암흑 물질로 인해 우리는 여러 모퉁이에서 접근하고 있으며 앞으로 10년 안에 그런 일이 일어날 것으로 기대됩니다."
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사진: CERN(Claudia Marcelloni 및 Maximilien Brice)
