[Physorg.com]에 제 논문이 소개 되었어요! 물리 이야기

Laura Mgrdichian, [Proposed Particle Help Explains Odd Galactic Photons], Physorg.com


최근 피지컬 리뷰에 출간한 논문이 저널리스트의 눈에 띄어 소개되었습니다. 관심있으신 분은 한 번 들러서 읽어보세요. 영문을 읽기 힘드신 분들을 위해 아래에 설명을 붙여놓겠습니다. 번역은 아니고 내용을 설명한 것입니다.

이 논문의 내용은 다음과 같습니다. (관련 내용은 지난번 포스팅를 보세요.)

우리 은하 중심부에서 날아오는 511keV 에너지를 가지는 빛이 알려진 것은 꽤 오래되었습니다. 그리고 최근 INTEGRAL에서 더욱 정밀하게 그 피크가 어디인지 측정했고 그 결과 더욱 정밀하게 전자 질량과 동일한 에너지인 511keV라는 것이 확증되었습니다.

그런데 문제는 정확히 전자의 질량과 같은 에너지의 빛을 만들어낼 소스가 무엇인지 모른다는 것이었죠. 그래서 '511keV 이상 현상(anomaly)' 라고 불리게 되었습니다.

허지행, 박종철, 김진의 교수님 그리고 저는 정확히 전자 질량에 해당하는 에너지의 빛이 나오는 이 현상이 일반적인 천체물리학적 과정 (쇼크웨이브와 자기장 등등)이 아니라 입자물리학적 과정(입자의 생성과 소멸)에 기인한다는 결론을 내렸고, 그 입자물리학적 설명을 시도했습니다. 우선 천체물리학적 과정에서 에너지 플럭스의 깨끗한 피크가 나오는 건 너무나 이상하니까요. 대신 전자와 반전자의 쌍소멸을 통해 만들어낸 두개의 빛 입자는 너무나 자연스럽게도 전자 질량과 동일한 에너지를 가지게 됩니다!

그런데 전자는 얼마든지 은하 중심에 존재하는 반면 반전자는 무언가 다른 이유로 생성되어야만 한다는 것이 문제였습니다. 무언가 은하 중심부에 집중적으로 존재하면서 반전자를 만들어낼 수 있는 것. 그것을 찾아야했던 것이죠.

저희가 생각한 것은 암흑물질입니다. 암흑물질은 은하 중심부에 분명 풍부하게 존재하고 있으며, 따라서 암흑물질 입자들은 서로 충돌하고 소멸하는 과정을 흔하게 일으킬 수 있습니다. 만약 암흑물질 입자 충돌과정에서 충분한 량의 반전자가 만들어지면, 이 반전자가 주변에 있는 전자와 만나 우리가 원하는 511keV 빛을 내놓게 될 것입니다.

그 충돌이 얼마나 자주 발생하는지 511keV 빛의 플럭스로 부터 유추할 수 있습니다. 너무 자주 발생하면 반전자가 너무 많이 만들어져 당연히 플럭스가 너무 커져버릴 것이고 반대로 거의 발생하지 않는다면 플럭스도 관측치에 비해 작아져 버릴 것입니다. 암흑물질 입자의 질량은 전자-반전자 이외의 입자를 만들지 않아야 피크를 설명할 수 있다는 것으로부터 뮤온 입자의 질량보다 작아야 합니다. 따라서 자연스럽게 수 MeV 정도로 유추됩니다.

수 MeV 질량을 가지고 있으며, 충돌 빈도가 관측치와 맞아떨어지는 암흑물질.


그런데 기존에 있던 어떠한 암흑물질 후보도 만족스럽지 못했습니다. 예를 들어 초대칭 이론에서 도입된 가장 가벼운 초입자인 뉴트럴리노의 경우 그 질량은 전기약력 스케일인 100 GeV 이상일 것이므로 전혀 맞지 않습니다. 액시온 입자는 반대로 너무 가볍습니다. 리틀힉스 이론, 5차원 이론 등에서 나오는 일반적인 암흑물질 후보들도 모두 너무 무겁습니다. 중성미자는 또 너무 가볍구요.

그래서 새로운 종류의 암흑물질 후보를 고려하게 되었습니다. 그 것은 'milli-charged dark matter'. 즉, 전자 전하의 1/1000 이하로 매우 약하게 대전된 입자를 말합니다. '밀리 전하' 입자가 고려된 것은 오래전 일로 처음은 아닙니다만 암흑물질 특히 511keV 빛을 설명하기 위해 적합한 전하와 질량을 가진 경우는 처음입니다. 논문에서는 알려진 실험들이 과연 이렇게 가벼운 암흑물질 입자의 가능성을 허용하는지가 고려되었고 결론적으로 답은 가능하다는 것이었습니다!

만약 저희 논문의 결론이 옳다는 것이 확증된다면 우리가 오래전부터 암흑물질이 내놓은 신호를 보고 있었지만 모르고 있었다는 흥미로운 결론에 도달하게 될 것입니다. 그리고 LHC 실험등에서 암흑물질 입자가 발견되는 일은 없을 것으로 예측됩니다. 기다려봐야겠죠?

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덧글

  • 착선 2008/07/26 12:19 #

    오오 축하드립니다.
  • ExtraD 2008/07/27 10:24 #

    감사합니다.

    그런데 아직 증명되지 못한 이론적 제안이라 축하는 ..
  • 바람의자유 2008/07/26 21:02 #

    축하드립니다~

    감마레이가 암흑물질 중 특정 입자와 관련되었다는 말은
    처음 듣네요.

    항상 새로운 발견을 하는 과학자 분들 보면 대단한 생각이..^^
  • ExtraD 2008/07/27 10:23 #

    결국 암흑물질이 쌍소멸하면서 내놓는 반전자가 전자와 다시 쌍소멸하면서 감마레이(빛입자)를 내놓는다는 것이에요.

    저도 늘 새로운 발견을 할 수 있으면 좋겠어요.
  • 치호 2008/07/27 09:47 #

    오 슬슬 반응이 오고 있나보네요. 시간이 꽤 지났는데, 보통 어떤 논문에 대한 반응이 오는 게 이 정도로 시간이 걸리는 건가요? ^^;
  • ExtraD 2008/07/27 10:22 #

    보통 대부분의 연구 논문에 대한 '일반인'의 반응은 아예 오질 않아요.
    학술 연구자들 사이에서도 좀체 분야를 넘어서는 반응이 오는 경우는 드물고요.
    아무튼 저널리스트의 관심을 끌었다는 점이 저로선 재밌습니다.
  • 나그네 2008/08/06 09:00 # 삭제

    양성자가 중성자로 바뀌면서 나오는 것일 가능성이 큰데요. 편집자들이 낚시로 쓴 것은 아닐까요.
  • ExtraD 2008/08/06 09:03 #

    중성자 질량이 양성자 질량보다 크기 때문에 설명이 될 수 없습니다.
  • 나그네 2008/08/12 13:14 # 삭제

    은하 중심부이니 빠른 속도를 가진 양자끼리 충돌하면서 양전자가 만들어질수도 있고 아니면 높은 에너지의 감마선이 나오다가 수소까스에 박치기를 하면서 전자-양전자 쌍생성을 해서 511kev 감마선이 나올 수가 있는 것이죠.
  • ExtraD 2008/08/12 15:47 #

    은하 중심부에 빠른 속도를 가진 자유로운 양성자 밀도는 무시할 수 있을 만큼 낮습니다.
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Physics

\begin{eqnarray} \hbar c =197.3 \text{MeV fm}\\ (\hbar c)^2=0.389 \rm{GeV}^2 \rm{mb}\\ 1.0{\rm pb}=\frac{2.568\times 10^{-3}}{\rm TeV^2}\\ =10^{-40} {\rm m}^2 \end{eqnarray}

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