이번 암흑물질 관측에 대한 입자물리학적 고찰

어제 포스팅한 찬드라-X 선 관측소의 암흑물질 관측과 관련하여, 어떻게하여 암흑물질(dark matter)과 일반 물질(hot gas)이 분리된 형상을 띄게 된 것인지를 보여주는 그림입니다.

1번 그림, 왼쪽 위에는 두개의 가스 덩어리가 서로 다가오며 충돌하기 전의 모습입니다. 암흑물질(푸른색)과 일반물질(붉은색)이 엉켜 있는 모습을 볼 수 있습니다.

2번과 3번 그림은 두 가스 덩어리가 충돌하는 순간의 모습입니다. 여기서 주목할 부분은 푸른색 부분은 충돌과정에서 별다른 영향을 받지 않고 지나쳐 버리는데 반하여, 붉은색 부분은 크게 영향을 받아 가운데 부분에 몰리게 되는 것을 볼 수 있습니다.

4번은 충돌 직후, 푸른색 부분은 여전히 둥근 모양을 유지한체 뚫고 지나쳤으나, 붉은 색 부분은 많은 변형을 받았습니다.

이상이 이번 찬드라 X-선 관측소에서 관측한 모습을 설명해 주고 있으며, 실제 관측 결과와 잘 일치함을 볼 수 있습니다. (실제 관측결과는 지난번 포스팅에 사진을 걸어두었습니다.)

이상에서 입자물리학자들은 무엇을 배울 수 있는지 Fumihiro와 점심 식사 후에 잠시 이야기를 나누었습니다. 우선 위 현상에 담겨있는 일반물질과 암흑물질의 가장 큰 차이점은 충돌과정에서 암흑물질은 거의 영향을 받지 않았다는 사실입니다. 이를 입자물리학적으로 생각해 보면 암흑물질을 이루고 있는 물질 (아직 정체를 모릅니다만)은 분명 "일반 물질처럼 상호작용을 하지 않는다"는 사실입니다. (DM is most probably not charged by the Standard model gauge interactions.)

만약 암흑물질을 이룬 입자들이 전하를 띄고 있다면 충돌과정에서 빛을 내며 에너지를 방사시켰을 것이며, 그 과정에서 그 형태도 크게 찌그러 졌을 것입니다. 하지만 위 그림에 나타난 암흑물질 분포는 여전히 구형을 유지하고 있으며, 어떠한 에너지 방사도 보이지 않습니다.

NASA의 주장, 이번 관측을 '암흑물질의 직접 증거'로 볼 수 있는다는 것에 대해서 입자물리학자들은 생각이 좀 다릅니다. 입자물리학자들은 암흑물질을 이룬 입자가 우리가 아는 입자를 직접때려서 흔들리는 것 (recoil energy)을 관측하길 원하고 있습니다. 하지만 이전의 암흑물질 관련 증거들에 비해서는 이번 관측이 분명히 보다 직접적으로 암흑물질의 존재를 증명하고 있으며, 중력을 수정하는 것으로 암흑물질을 설명하고자 하는 시도보다는 직접적인 물질의 존재를 도입하는 것이 더욱 신뢰할 수 있는 접근이라는 것은 배울 수 있었습니다. 입자물리학자들의 접근이 옳았던 것이죠.

현재 암흑물질의 후보들 중 가장 많은 주목을 받고 연구되고 있는 후보들은 아래와 같습니다.

1. 낮은 초대칭 이론의 가장 가벼운 초대칭 파트너 입자. (LSP: Lightest supersymmetric partner or particle)

2. 여분의 차원 이론의 가장 가벼운 칼루자-클라인 입자. (LKP: Lightest Kaluza-Klein particle)

3. 보이지 않는 액시온 (Invisible Axion)

최근 제가 관심을 가지고 새로운 종류의 암흑물질 후보가 어떨지는 아직 연구중입니다. ^ㅅ^