PAMELA data release

http://arxiv.org/abs/0810.4995
http://arxiv.org/abs/0810.4994

드디어 기다리고 기다리던 PAMELA의 데이터가 공개되었다. 여름 끝자락부터 들려오던 소문이 결국 사실로 판명만 셈인데 이제 정말로 데이터가 입자 물리학을 이끄는 시대가 다시 돌아온 느낌이다.

PAMELA는 인공위성에 디텍터를 실어보내서 외계로부터 날아오는 우주선 입자를 검출하는 실험으로 현재까지 어느 실험 보다도 정확하게 고에너지 입자들 (특히 양성자, 반양성자, 전자, 반전자)의 에너지와 숫자(플럭스)를 측정하는데 성공했다. 그런데 놀랍게도 반전자의 수가 표준모형에서 예상했던 것과 다르게 나타났다! 물론 주의해야할 것은 불확실성이 많은 천문학적인 요소를 고려해야하는 계산이기 때문에 표준모형이라는 것 자체가 오차를 포함하고 있다는 것.

위 그림에서 검은선이 표준모형의 예측이고, 빨간 점들이 PAMELA의 관측결과. 10GeV 이후 부터는 표준모형의 계산이 완전히 틀려지고 있다는 것에 주목할 필요가 있다.

한편 반양성자/양성자의 비율을 측정한 결과는 기존의 관측과도 그리고 표준모형의 예측결과와도 잘 맞아떨어진다.

검은 점들은 기존의 관측결과, 붉은 점은 PAMELA 데이터.

사실 PAMELA 이전에도 반전자 플럭스에 이상이 있다는 보고가 있었지만 (HEAT, ATIC 등) 문제는 당시 실험의 오차가 워낙 커서 시그널로 인정받지 못했었다. 이번 PAMELA가 특별한 것은 그 정확도에 있다.

그렇다면 도대체 이 이상한 데이터가 의미하는 바가 무엇일까?

이론물리학자들은 그것이 아마도 암흑물질이 쌍소멸하면서 내놓은 반전자가 아닐까 의심하고 있다. 일단 초대칭 이론에서 내놓은 암흑물질은 그 설명이 될 수 없다. 초대칭 입자가 암흑물질이라면 마조라나 스피너로 기술되는데, 마조라나 입자의 쌍소멸 과정을 통해서는 가벼운 전자가 나올 확률이 (전자질량/암흑물질질량)의 제곱꼴로 나타나게 되어 도저히 관측된 반양성자 량을 맞출수가 없다. (모 교수님은 이미 초대칭 이론이 틀린 걸로 봐야된다고 말씀하실 정도..)

그렇다면 도대체 어떤 암흑물질이 그 후보가 될 수 있나? 일단 스칼라 입자도 비슷한 이유로 제외시킬 수 있다. 따라서 그 입자는 무거운 벡터 입자이거나 혹은 디락 스피너로 기술되는 입자일 것으로 생각된다. 하지만 이론 시장에 나와있는 이론들 중에서 100% 만족스러운 이론은 없다. 특히 반양성자(혹은 쿼크)를 동반하지 않고 오직 랩톤만을 붕괴 시그널로 만들어낸다는 것이 괴상하거나 매우 부자연스런 상황이다.

천체물리학적 설명이 존재할 여지도 크다고 볼 수 있다. 실제 암흑물질 분포에 대한 여러 모형들은 서로 다른 결과를 만들어 낼 수도 있으며, 우리가 고려하지 못한 천문학적인 과정 또한 존재할 여지가 있기 때문이다.

아무튼 누가 가장 멋지게 이 데이터를 설명하는지 입자물리학자들의 경쟁이 볼만하다. 물론 판단은 이론가의 오래된 편견이 아니라 데이터가 할 것이다!