4'00" 읽기
3D 프린팅된 특수 챔버는 "도메인 벽"을 통해 암흑 물질을 탐지하도록 고안됐다.

암흑물질용 새로운 함정
3D 프린팅된 특수 챔버는 "도메인 벽"을 통해 암흑 물질을 탐지하도록 고안됐다.

물리학자 팀이 암흑 물질에 대한 새로운 함정을 구축했다. 이는 암흑 물질의 물리적 장을 통해 "영역 벽"의 형성을 유발하려는 의도다. 초저온 입자가 우주에서 눈에 보이지 않는 위상 결함을 통해 떨어지면 암흑 물질의 행동은 암흑 물질의 본질을 드러낼 수 있다. 물리학자들은 1년 안에 첫 번째 결과를 기대하고 있다. 

▲ 암흑 물질의 분포는 방의 한 부분에 대해 여기에 표시된 것처럼 중력 효과를 기반으로 대략적으로 매핑할 수 있다. 그러나 그것은 무엇으로 구성되어 있을까? © NASA/ESA 및 R. Massey(캘리포니아 공과대학)

암흑 물질은 우리 우주의 구조와 은하계의 행동을 형성한다. 중력 효과를 통해서만 느낄 수 있는 이 보이지 않는 형태의 물질이 무엇으로 구성되어 있는지는 물리학과 우주론의 가장 큰 미해결 미스터리 중 하나다. 지금까지 암흑물질 입자를 식별하려는 모든 시도는 성공하지 못했다. 입자의 특성에 대해서도 합의가 이루어지지 않았다.

암흑 스칼라 장이 얼어붙을 때

이러한 가설 중 하나에 따르면, 암흑 물질은 물리적 스칼라 필드와 결합된 보존(힘 입자)으로 구성될 수 있다. 이는 관련 필드가 있는 힉스-보존과 유사하다. 이론에 따르면, 이러한 보존장은 예를 들어 밀도의 급격한 하락을 통해 위상 전이를 겪을 때 위상학적 구조를 형성할 수 있다. 자성 고체와 유사하게, 이전에는 감지할 수 없었던 눈에 보이지 않는 도메인 벽이 우주에서 발생할 수 있다. 즉, 공간 자체의 위상학적 결함이 생성될 수 있다.

▲ 지금까지 암흑물질은 여기 은하단 1E 0657-56에서처럼 중력 효과를 통해서만 밝혀졌다. 파란색은 암흑물질이 질량 분포에 영향을 미친 부분을 보여준다. 하지만 그 외에 어떻게 증명할 수 있을까? © NASA/CXC/M. Weiss

"밀도가 감소함에 따라 결함이 형성된다. 이는 물이 얼음으로 얼 때와 유사하다"고 노팅엄 대학의 수석 저자인 Clare Burrage는 설명했다. 얼음 결정에서는 방향이 다른 격자 영역이 충돌하면서 이러한 결함이 형성된다. "밀도가 감소하면 스칼라 필드에서도 비슷한 일이 발생한다. 도메인 경계를 형성하며 이는 어두운 스칼라 필드의 존재를 증명할 수 있다"고 물리학자는 말했다.

하지만 그러한 "다크 도메인 벽"을 어떻게 탐지할 수 있을까? 이에 대한 첫 번째 시도는 몇 년 전 광학 자력계의 글로벌 네트워크를 통해 GNOME 프로젝트에 의해 시작됐다.

“다크 도메인 벽”을 위한 함정

Burrage와 첫 번째 저자인 Kate Clements가 이끄는 팀은 놀라울 정도로 단순해 보이는 색다른 접근 방식을 취했다. “만약 도메인 벽이 형성되면 물질 구조에 '고착'할 수 있다"고 물리학자들은 설명한다. 결과적으로 이러한 도메인 경계를 통해 이동하는 물질은 갇히거나 편향될 수 있다. 이를 통해 실험실에서도 효과를 관찰할 수 있다.

이것이 바로 Clements와 그녀 팀의 실험이 시작되는 곳이다. “우리는 진공 챔버에서 도메인 벽이 형성되는 데 필요한 조건과 어떤 재료 구조가 도메인 벽을 제자리에 유지할 수 있는지 조사했다”고 그들은 설명했다. 이러한 질문에 대한 모델 시뮬레이션은 이론적으로 구형의 10cm 진공 챔버에서 원하는 어두운 영역 벽을 생성하는 것이 가능하다는 것을 보여주었다.

다크 도메인 벽 트랩에 대한 요구 사항:
진공 챔버의 벽은 고밀도 재료로 만들어져야 하며 내부 가스 밀도는 제어된 방식으로 100억분의 1밀리바까지 감소될 수 있어야 한다. 위상 전환. 제한된 크기의 진공 챔버에서 내부 벽의 구조는 도메인 경계의 형성을 촉진하고 그것이 형성되는 곳에 영향을 미칠 수 있다고 Clements와 그녀의 동료는 설명한다. 이것이 일어나기 위해서는 척추와 같은 구조가 충분히 얇고 조밀해야 한다.

▲ 특별히 설계된 구형 진공 챔버에 "암흑 영역 경계"(녹색)가 생성되면 초저온 원자(빨간색)를 가두거나 편향시켜야 한다. © Clements et al./ Physical Review D, CC-by 4.0

트랩의 첫 번째 프로토타입 제작

물리학자 팀은 이미 3D 프린팅을 사용하여 이 "함정"의 첫 번째 프로토타입을 제작했다. 진공 챔버의 벽은 견고한 스테인레스 스틸로 만들어졌으며 내부에는 미세한 스파이크 구조가 있다. Clements의 동료인 Lucia Hackermueller는 "3D 프린팅된 진공 챔버는 암흑 물질을 포착하는 데 이상적인 모양, 구조 및 질감을 갖도록 우리 모델을 기반으로 설계되었다"고 말했다. "우리가 내부에 매우 어두운 자벽을 포착했다는 것을 입증하기 위해 차가운 ​​리튬 원자 구름을 통과시킬 것이다.”

어두운 도메인 벽이 존재하고 진공 챔버에 존재하는 경우 이는 영하 273도까지 냉각된 원자의 거동에서 분명해진다. “초당 0.03미터 미만의 초기 속도를 갖는 입자는 도메인 경계에 의해 정지됩니다. 반면에 더 빠른 속도에서는 벽이 될 수 있다”고 물리학자들은 얇은 도메인 벽의 예상되는 동작을 설명했다. 거의 전체 챔버를 채우는 두꺼운 도메인 벽은 속도가 초당 0.00001미터 미만인 느린 입자만 차단한다.

1년 만에 첫 결과

Clements와 그녀의 팀은 이제 이러한 실험을 시작할 것이다. 그들은 1년 이내에 첫 번째 결과가 나올 것으로 기대하고 있다. Hackermueller는 “이것은 우리가 암흑 영역 벽을 차지하든 차지하지 않든 암흑 물질과 암흑 에너지에 대한 이해에 중요한 진전을 제공할 것이다”며 "동시에 이것은 잘 통제된 실험실 실험이 어떻게 전체 우주와 관련된 효과를 측정할 수 있는지 보여주는 훌륭한 예다"고 말했다.

연구팀은 이 실험을 통해 암흑 물질이 실제로 해당 장과 운반체 입자를 포함하여 우주의 다섯 번째 기본 힘과 유사한 것일 수 있는지에 대해 더 명확하게 제공하기를 희망한다.
(Physical Review D, 2024; doi: 10.1103/PhysRevD.109.123023)
출처: 노팅엄대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]