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Jul 29, 2023

암흑 물질 입자와 투명 물질을 찾으시나요?

우리 우주는 해결되기를 기다리는 미스터리로 가득 차 있습니다. 현대 물리학의 가장 큰 수수께끼 중 하나는 암흑 물질 입자와 중성미자의 본질입니다. 그들이 구성한다는 사실에도 불구하고

우리 우주는 해결되기를 기다리는 미스터리로 가득 차 있습니다. 현대 물리학의 가장 큰 수수께끼 중 하나는 암흑 물질 입자와 중성미자의 본질입니다. 그들이 우주의 중요한 부분을 구성한다는 사실에도 불구하고 우리는 여전히 이러한 파악하기 어려운 입자에 대해 거의 알지 못합니다. 그러나 획기적인 기술의 도움으로 우리는 그 속성을 이해하는 데 더 가까워지고 있으며 이를 숨겨진 우주에 대한 새로운 창으로 사용할 수 있습니다. 지식에 대한 이러한 탐구는 우주에 대한 우리의 이해를 심화시킬 뿐만 아니라 우리의 삶의 방식에 혁명을 일으킬 잠재력을 가지고 있습니다.

여기서는 유럽 위원회(Grant No 952480)의 자금 지원을 받고 5개 연구 기관으로 구성된 컨소시엄인 AstroCeNT/Nicolaus Copernicus Astronomical Center(폴란드에 최근 설립된 성입자 물리학 우수 센터)에서 구현한 프로젝트인 DarkWave를 살펴보겠습니다. , Laboratoire Astroparticule & Cosmologie/CNRS, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare 및 Gran Sasso Science Institute, Technical University of Münich – 이러한 과학적 노력에 기여합니다.

현재 우주론의 표준 모델에서 암흑 물질 입자는 우주의 27%를 구성하며 관찰된 은하 규모와 더 큰 구조가 어떻게 형성되고 진화하고 움직이는지를 주도하고 있습니다. 일반 물질은 5%를 차지하고 그 중 중성미자는 0.3%를 차지합니다. 나머지는 우주의 팽창률에 영향을 미치는 암흑 에너지로 채워져 있습니다.

일반 물질과 달리 중성미자와 암흑 물질은 전자기력에 반응하지 않습니다. 그것들은 어두울 뿐만 아니라 완전히 투명합니다. 광자를 흡수하거나 반사하거나 산란시키지 않습니다. 이로 인해 정상적인 물질에 전혀 영향을 미치는 것이 어렵습니다. 수많은 우주 중성미자와 암흑 물질 입자가 눈에 띄는 효과 없이 지속적으로 지구를 통해 흐릅니다. 그럼에도 불구하고, 우주론의 표준 모델과 입자 물리학의 표준 모델은 모두 암흑 물질 입자가 있는 경우에만 의미가 있으며, 중성미자와 암흑 물질의 특성은 우주의 진화를 이해하는 데 핵심입니다. 따라서 우리는 이를 관찰하기 위해 탐지기를 만듭니다.

물질과 중성미자 상호 작용은 감지 가능한 전하를 유도하지만 매우 드물기 때문에 적은 수의 상호 작용을 얻으려면 많은 수의 표적 원자를 관찰해야 합니다. 암흑 물질의 경우 상황은 훨씬 더 복잡합니다. 암흑 물질이 어떤 종류의 입자인지 아직 알 수 없습니다.

일부 입자 물리학 이론에서는 원자핵에 산란되어 약간의 운동 에너지를 전달할 수 있는 약하게 상호작용하는 거대 입자(WIMP)를 예측합니다. 수년에 걸쳐 갑작스런 추가 운동 에너지 방출을 위해서는 수많은 목표 원자를 관찰해야 합니다. 이러한 실험은 다음으로 가장 민감한 암흑 물질 탐지기인 DarkSide-20k가 구축되고 있는 이탈리아의 INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso(LNGS)와 같은 깊은 지하 실험실에서 수행됩니다. 자연적인 우주 방사선을 보호하려면 수 킬로미터에 달하는 암석이 필요합니다. 그렇지 않으면 찾고 있는 이국적인 신호가 완전히 묻혀버릴 것입니다.

이러한 보이지 않는 암흑 물질 입자를 감지하는 것은 물질에서 간접적으로 유도되는 광자를 감지하는 것입니다. WIMP와 중성미자 상호작용에 민감하게 반응하는 가장 좋은 방법 중 하나는 섬광을 방출하는 물질인 섬광체를 사용하는 것입니다. 이 빛은 큰 검출기 볼륨을 통해 이동하며 대상 볼륨 주위에 배열된 포토 센서를 통해 감지됩니다. 액체 아르곤은 뛰어난 섬광체이지만 방출을 감지하는 것은 또 다른 과제입니다. 대부분의 상업용 센서는 방출되는 원거리 자외선에 민감하지 않습니다. 이는 소위 파장변환기(WLS) 재료를 사용하여 가시광선으로 변환되어야 합니다. 차세대 암흑물질 및 중성미자 검출기의 과제 중 하나는 WLS 및 포토 센서 기술을 100m2 이상으로 확장하는 것입니다. DarkWave 프로젝트는 이 과제의 주요 측면인 빛의 생성, 수집 및 감지를 다룹니다.

생성되는 빛의 양을 극대화하기 위해 특별히 정제된 액체 아르곤이 사용됩니다. DarkSide-20k 검출기를 채우기 전에 아르곤은 350m 높이의 극저온 증류탑이 건설 중인 사르디니아에 최근 개장한 Aria 시설에서 정제될 예정입니다. 모든 단일 광자가 중요하므로 고효율 WLS와 반사체 재료의 조합을 사용하여 검출기 벽을 정렬합니다. 주 WIMP 탐지기를 둘러싸고 자연 방사선 배경을 억제하는 거부권 탐지기의 표면적은 200m2입니다. AstroCeNT가 주도하는 광범위한 테스트 및 프로토타입 제작, 취리히 대학교 Gran Sasso 및 CERN의 액체 아르곤 측정을 거쳐 일반적으로 맥주병과 같은 물건을 만드는 데 사용되는 일반적인 플라스틱인 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)가 WLS로 선택되었습니다. 거부권을 위해. PEN의 효율성은 특수목적 소재에 비해 낮지만, 저렴한 비용과 기존 산업용 대면적 제조시설로 이를 보완한다.