Fermi-LAT 130 GeV Gamma-ray line (1부) 물리 이야기

지난 4월 독일 막스플랑크 연구소의 젊은 박사후 연구원인 Christoph Weniger의 새 논문 (arxiv:1204.2797)이 발표되었습니다. 아래 초록에서 보실 수 있듯 그는 FERMI-LAT의 데이터에서 130 GeV 감마선 라인이 들어 있다는 것을 알아냈고, 이것이 암흑물질의 쌍소멸에서 기인했을 가능성이 있다는 주장을 하고 있습니다. 이후 두달 가량 동안 20여편의 후속 논문이 나오는 등 입자-우주론 분야의 핫토픽으로 떠오르게 되었습니다.



Christoph는 몇 해전 제가 있던 동경대 Kavli-IPMU 연구소에 독일 뮌헨 공대 학생 신분으로 그의 지도교수인 Alejandro Ibarra 교수와 함께 방문했을 때 처음 만났었는데요, 당시 PAMELA와 Fermi-LAT 데이터에서 암흑물질의 신호를 읽어내는 작업을 진행중이었고, 저도 저 나름의 암흑물질 모형을 막 완성했을 때 였기 때문에 많은 이야기를 (술과 함께 ^^) 나누었던 기억이 납니다.

데이터를 활용하여 시그널를 보다 효과적으로 읽어내는 새로운 기법이 동원된 그의 논문에서 아래 그래프가 가장 확실하게 Gamma-Ray Line을 보여줍니다.



통계적 오차를 포함한 검정색 점들이 데이터. 암흑물질 효과를 포함하지 않은 best-fit 모델이 초록색, 포함한 모델이 붉은색으로 표기되어 있으며, 파란색 점들이 암흑물질로 부터 기인한 감마선의 플럭스 라인을 나타냅니다. 통계적으로 4.63 sigma.

암흑물질이 아닌 "Milky way Bubble"의 표준적인 천체물리학적 과정이 감마선의 기원이라는 주장 (arxiv:1204.6047)이 있었지만, 일단 암흑물질 해석 쪽이 보다 더 큰 관심을 받고 있으며, 실제로 "버블"로 적절한 설명이 될 수 없다는 주장도 나오고 있는 상황입니다.

그러나 조금 자세히 들여다보면 문제가 간단치 않습니다. 우선 감마선 플럭스를 설명하기 위해 필요한 암흑물질 소멸률은 표준 우주모형에서 열적 평형상태에 있다가 freeze-out 되어 남게 되는 thermal relic 량과 잘 맞지 않습니다. 만약 암흑물질의 주 소멸 결과물이 감마선이라면 우주에는 너무 많은 암흑물질이 남는다는 결과가 나옵니다. 따라서 주 소멸 채널은 감마선이 아닌 다른 어떤 채널이어야 합니다. 이러한 특징은 '표준적인 후보'인 초대칭이론의 neutralino나 여분차원 이론의 Kaluza-Klein photon 등으로 설명될 수 없기 때문에 새로운 종류의 암흑물질 이론이 필요하다는 말이 됩니다. 이론가의 상상력이 필요한 상황이라고도 할 수 있겠군요. 어떤 종류의 이론이 가능할지는 2부에서 논의해보겠습니다.

덧글

  • jys34 2012/07/01 09:51 #

    bubble의 형태를 관측한 사진이 인상적이었습니다. 그런데 만약에 Fermi bubble이 암흑물질에 의한 것이라면 특정 방향에 암흑물질이 다른 곳보다 더 큰 밀도로 존재한다고 봐야 되나요?
  • ExtraD 2012/07/01 10:02 #

    일단 Profumo등은 암흑물질과 버블을 직접 관련짓지 않고 있어요. 일반적인 암흑물질의 경우 중력이 강한 지역에 많이 모일 것이므로 버블 지역에 특별한 중력 소스가 있다면 가능할 수도 있겠지만 실제 관측을 통해 얼마나 이 사실을 밝혀낼 수 있을지 모르겠습니다.
  • ㅇㄻㄴㄹ 2012/07/05 12:10 # 삭제

    저 시그널이 얼마나 되풀이되느냐가 문제. 우리는 누가 디텍터 발로 찼나 보다 할 데이턴데. 물론 발로 찬다고 저런 노이즈가 나오진 않음.
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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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