암흑물질 탐색은 계속 실패하고 있다.

미디어위원회

2024-09-12

암흑물질 탐색은 계속 실패하고 있다.

(Dark Matter Searches Continue to Fail)

David F. Coppedge

탐지 장비가 더 정밀해질수록, 미스터리한 미지의 물질에 대한 증거는 줄어든다.

암흑물질(dark matter)에 대한 헛된 탐사를 멈출 때가 되지 않았을까? 일부 사람들은 이 프로젝트가 대중적 이론을 유지하려는 열망에서 비롯된 것이라고 생각하고 있다. 탐지되지 않고 있다는 현실이 탐사에 영향을 미치는 시점은 언제쯤일까?

암흑물질은 이상한 실패한 별들 안에 숨어있을 수 있다(2024. 8. 30, New Scientist). 암흑물질은 유니콘 뿔에도 "숨어있을 수도“ 있고, 레프러콘(leprechauns, 상상의 생물)이나 갈색왜성에도 숨어있을 수 있을까? 증거를 제시하지 못한다면, 이러한 ‘아마도혹시어쩌면’은 과학이 아니다.

우주에 있는 물질의 85%를 잃어버렸다. 하지만 우리는 그것을 찾는 데 점점 더 가까워지고 있다(2024. 8. 26, The Conversation). 테레사 프루스(Theresa Fruth)는 완전한 실패를 인정하면서도, 희망을 유지하는 방법을 시연하고 있었다. 그녀는 도둑이 숨어있을 수 있는 장소를 좁히는 것도 진보를 의미한다고 생각하고 있었다.

▶ 우리는 아직 암흑물질로 생각되는 이해하기 어려운 입자를 찾지 못했지만, 그들의 특성에 대해 가장 엄격한 한계를 설정했다. 또한 탐지기는 예상대로 작동되고 있으며, 우리는 앞으로 더 나은 결과를 보여줄 것이다....

▶ 그렇다면 이 암흑물질은 무엇으로 만들어졌을까? 우리는 현재 이러한 천문학적 관측을 설명할 수 있는 어떤 종류의 입자도 알지 못한다.

▶ 최근 연구 결과에 따르면, 암흑물질의 흔적은 보이지 않는다. 하지만 여러 가능성을 배제할 수는 있었다.

선도적 연구에 따르면, 암흑물질의 본질은 그 어느 때보다 찾기 어렵다는 것이다(2024. 8. 28, Univ of Bristol). 이것은 암흑물질의 주요 후보 중 하나인 윔프(WIMP, Weakly Interacting Massive Particles, 약하게 상호작용하는 무거운 입자)를 찾기 위해 고안된 사우스다코타 주의 럭스-제플린(LUX-ZEPLIN, LZ) 암흑물질 검출기의 최신 결과이다. 이것의 후렴구는 동일하다.

럭스-제플린은 9 GeV/c2의 질량 이상에서 윔프(WIMP)의 증거를 발견하지 못했으며, 여기서 1 GeV/c2는 대략 수소 원자의 질량에 해당한다.

실험을 최대 1,000일 동안 진행해야 충분한 감도를 구현할 수 있다. 이 초기 결과는 10년 동안의 설계 및 구축 노력을 검증해주는, 노출의 극히 일부분에 불과하다.

이 프로젝트에 비용을 당신이 지불해야 한다면, 탐지되지 않는 것을 입증하기 위해 10년간의 설계 및 건설 노력을 기울이는 데에 동의하겠는가? 암흑물질을 믿고 있는 사람들은 ‘생명의 기원’을 연구하는 사람들로부터 교훈을 얻어야 한다.

럭스-제플린 실험은 암흑물질을 찾기 위한 새로운 기록을 세우다.(2024. 8. 26, Berkeley Lab). 극도로 민감한 탐지기인 럭스-제플린 실험이 실패했다는 것을 또 다시 인정하고 있었다. 하지만 실패는 선택 사항이 아니다. 연구자금은 계속 들어가야만 한다!

연구자들은 럭스-제플린이 할 수 있는 일의 일부만 수행해 보았다. 탐지기의 뛰어난 감도와 고급 분석 기술을 통해, 암흑물질이 손이 닿는 실험적 범위 내에 존재하는지 발견하고, 다른 드문 물리학적 현상을 탐구할 준비를 하고 있다.

아직 아무것도 발견하지 못했다는 것은 암흑물질에 또 다른 타격이 되고 있다.(2024. 8. 26, New Scientist). 레아 크레인(Leah Crane) 기자는 계속되는 미검출로 인한 감정적 의기소침에 대해 솔직하게 이야기하고 있었다. "암흑물질 입자에 대한 사냥은 물리학자들이 이전보다 5배나 더 치밀하게 이 미스터리한 물질에 대해 압박을 가했지만, 다시 한번 좌절하고 있다." 지지자들은 마법의 물고기를 찾기로 결심했다!

유니버시티 칼리지 런던의 가그(Charnkaur Ghag)는 "이것은 마치 바다에 마법의 물고기가 산다는 말을 들었지만, 어디에 있는지 전혀 모르고 있다"는 것과 같다”고 말한다. “우리는 바다에 들어가서 헤엄치고, 돌아다니고, 다시 잠수복을 입고 헤엄치고, 돌아다니고, 다시 잠수함을 타고 헤엄치고, 돌아다녔지만, 아직 찾지 못하고 있다." 마법의 물고기가 윔프라면, 연구자들은 그것을 발견하지 못하고, 이제 바다의 약 75%를 탐사했다고 그는 말한다.

원시 블랙홀은 암흑물질을 설명하기에 너무도 부족하다.(2024. 8. 19, Nature News). 원시 블랙홀(primordial black holes)에서 암흑물질을 찾는 사람들에게는 좋은 소식과 나쁜 소식이 있다.

인근 은하계에 대한 수십 년간의 조사 결과, 암흑물질을 설명할 수 있는 고대 블랙홀과 일치하는 신호가 발견되었지만, 이 이론을 뒷받침하려면 적어도 10배 이상 더 풍부해야 한다.

적은 데이터로 주장되는 이론은 좋은 이론이 될 수 없다.(2020. 4. 17), 이것은 어떤 의미에서 나쁜 소식이다. 고대 블랙홀의 가설과 "일치"하는 다른 설명도 있다.

보이지 않는 것을 위한 카메라 트랩(2024. 7. 29, Duke University Research Blog). 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider, LHC)의 연구자들은 암흑물질 입자의 흔적을 식별할 수 있을지도 모른다. 하지만 이 작업은 건초더미에서 바늘을 찾는 것보다 더 어렵다. 로빈 스미스(Robin Smith) 기자는 "그것은 공상적으로 들린다"라고 말한다. "자연의 미스터리로 남아 있는" 무언가를 찾기 위해 계속 돈을 사용하는, 이 프로젝트에서 아슈토시 코트왈(Ashutosh Kotwal)의 부지런함은 감탄할 만하다

천문학자들은 암흑물질이 은하의 진화에 미치는 영향을 관찰하고 있다.(2024. 2. 21, Canary Island Institute of Astrophysics). 다시 말하지만 데이터가 부족한 이론의 미결정 문제 때문에, 다른 많은 설명들은 은하에 대한 간접적인 영향을 관측하는데 기울이고 있다.

암흑물질은 우주 전체 물질의 약 85%를 차지한다. 일반 물질은 빛을 흡수, 반사 및 방출하지만, 암흑물질은 직접 볼 수 없기 때문에, 감지가 어렵다. 암흑물질의 존재는 우주에서 별, 행성, 및 기타 천체를 형성하는 물질인 가시광선에 미치는 중력 효과로부터 유추할 수 있다.

암흑물질 마법사들은 그것의 비율이 정확한 것처럼 이리저리 말한다. 근원에 따라서, 이론적 암흑물질의 비율은 우주 지도 전체에 걸쳐 20%에서 95%까지 다양하다. 그것은 종종 암흑물질보다 훨씬 더 널리 퍼져 있는 또 다른 미스터리한 개념인 암흑에너지(dark energy)와 혼합된다. 그 결과 나오는 독단적인 진술은 순진한 사람들에게만 흥미로운 레프러콘과 유니콘의 비율처럼 들린다.

암흑에너지란 무엇인가? 가속화되고 팽창하는 우주의 내부(2024. 2. 5, NASA). 다음은 속기 쉬운 사람들에 말해지는 공식적인 독단적 언급이다.

약 138억 년 전, 우주는 빅뱅이라고 부르는 급격한 팽창으로 시작되었다. 불과 1초 동안 지속된 초기 팽창 이후, 중력이 우주의 속도를 늦추기 시작했다. 하지만 우주는 이런 식으로 머물지 않았다. 우주가 시작된 지 90억 년이 지난 시점에, 과학자들이 암흑에너지라고 명명한 미지의 힘에 힘입어, 우주의 팽창은 가속화되기 시작했다.

하지만 암흑에너지란 정확히 무엇일까? 짧은 대답은 우리는 모른다는 것이다. 하지만 우리는 그것이 존재한다는 것은 알고 있다. 우주의 약 68.3~70%가 암흑에너지이다. 그것은 우주가 가속 팽창하도록 만든다.

와우, 그들은 알지 못하는 미지의 것에 대해 세 자리 유효숫자로 말하고 있다!

중국의 새로운 암흑물질 연구소는 사상 최대이며, 가장 깊다(2024. 1. 22, Nature News). "이 연구소는 암흑물질을 찾기 위해 장비를 확장하고 있다"라고 몇 달 전에 보도되었다. 연구 결과를 기다리는 동안, 가치있는 다른 일이 있다면 찾아보라.

공상적 이론의 문제

암흑물질-별의 공모(conspiracy)가 천문학자들에 의해 폭로되었다(2024. 8. 21, Newsweek). 별의 상호작용에 대한 일반적인 설명은 암흑물질과는 아무런 관련이 없을 수 있다.

별과 암흑물질이 어떻게 상호작용하는지에 대한 천문학적 '공모'가 과학자들에 의해 반증되었다.

이 반박된(debunked) 이론은 우주 주변 은하들의 모양, 크기, 나이는 크게 다르기 때문에, 과학자들을 혼란스럽게 만든, 은하의 중심과 가장자리에서 물질의 밀도가 동일한 속도로 감소하는 것으로 나타나는 이유를 설명하기 위해서 제안되었다.

암흑물질은 이 현상에 대한 한 설명으로 이론화되어 왔지만, 2024. 8. 10일 왕립천문학회(Royal Astronomical Society) 월간지에 발표된 논문에 따르면, 이것이 진정한 이유가 아닐 수도 있다.

이제 "연구자들은 이러한 밀도 유사성이 은하 자체의 구축 방식 때문이 아니라, 우리가 은하를 측정하는 방식의 결과일 수 있다고 제안하고 있었다." 암흑물질 이론은 측정 오류의 산물일까?

별들은 은하수 가장자리에서 더 느리게 이동한다(2024. 1. 26, MIT News). 제니퍼 추(Jennifer Chu)에 의하면, "이번 연구 결과는 우리 은하 중심부에 이전에 추정했던 것보다 암흑물질이 덜 포함되어 있을 수 있음을 시사한다"는 것이다.

MIT 물리학자들은 암흑물질에 대한 믿음으로 이어졌던 한 주요 측정 결과를 기각시켰다. 1970년대에 베라 루빈(Vera Rubin)은 은하의 회전 곡선을 측정했는데, 이는 가시광선에서 볼 수 있는 것보다 바깥쪽 가장자리에서 더 많은 질량을 의미했다. 그녀의 측정은 잘못된 것이었나?

연구팀은 새로운 회전 곡선을 외부 별의 속도 저하를 설명할 수 있는 암흑물질 분포로 번역한 결과, 예상보다 가벼운 은하핵의 결과를 나타냄을 발견했다. 즉, 은하수의 중심부는 과학자들이 생각한 것보다 밀도가 낮고, 암흑물질이 적을 수도 있다.

"이 결과는 다른 측정값과 충돌을 불러일으킨다"라고 네시브(Necib)는 말한다. "어디서 수상한 냄새가 나고 있는데, 그것이 우리 은하수의 일관된 그림에서 어디에서 나고 있는지를 알아내는 것은 정말로 흥미로운 일이다."

생선 냄새가 더 강해질 때까지 따라가 보라. 죽어서 썩어가고 있는 이론의 잔재로 이어질 수 있다. 정말로 흥미로울 수 있다. 죽은 물고기를 치워버렸을 때, 신선한 공기가 얼마나 상쾌할지 생각해 보라.

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여전히 암흑물질을 믿고 있는 창조론자들이 있다. 나는 그들이 암흑물질을 의심하지 않는 것을 이해할 수 있다. 아마도 그들은 암흑물질이 은하 회전 곡선(galaxy rotation curves)에 대한 가장 가능성 높은 설명이라고 생각할 수 있다. 은하계 스케일에서 뉴턴 물리학에 도전하는 것이 머나먼 다리라고 생각할 수도 있다. 아마도 그들은 사람들에게 무지한 창조론자들로 보여지는 것을 싫어할 수도 있을 것이다. 내가 그들에게 하고싶은 말은 "나에게 암흑물질이 무엇인지 입자를 보여달라"이다. 특정 미스터리한 효과를 설명하기 위해서, 합의된 이론이 유령의 존재를 요구한다고 해서, 그 유령을 믿겠는가?

*생물학에서 이 비슷한 상황에 대해서는 이 논평을 참조하라.

합의(consensus)는 과학이 아니다. 합의는 수십 년 동안 대중들을 암흑물질 탐사의 길로 나아가게 했지만, 아무것도 보여주지 못하고 있다. 얼마나 더 많은 시간이 필요할까? 얼마나 더 많은 연구비가 사용될까? 유통기한은 언제까지 인가?

수백만 달러의 연구비를 계속 투자한다면, 합의가 사실로 밝혀질까? 수십 년간 미지의 것을 탐사만 하고 있는 것보다 우주의 측면을 이해하지 못한다고 말하는 것이 철학적으로 더 정직한 행동이라고 나는 생각한다. 모든 연구가 진전을 나타내는 것은 아니다. 그냥 소란일 수도 있다.

*관련기사 : 천재 이휘소 틀렸나?…280일 암흑물질 사냥 또 실패 (2024. 8. 28. 머니투데이)

https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2024082714244291701

호킹도 틀렸다? 다시 오리무중에 빠진 암흑 물질의 정체 (2024. 8. 5. 비즈한국)

https://www.bizhankook.com/bk/article/28054

암흑물질 '없는' 은하 발견… "기존 우주론 반박 증거" (2023. 7. 20. 동아사이언스)

https://m.dongascience.com/news.php?idx=60799

中 지하 2천400ｍ에 '암흑물질' 탐사 세계최대 땅속 연구시설 (2023. 12. 8. 연합뉴스)

https://www.yna.co.kr/view/AKR20231208075100074

지구 자기장 10억분의 1 수준 극한 과학으로 암흑물질 탐색 나선다 (2022. 2. 14. 동아사이언스)

https://m.dongascience.com/news.php?idx=52280

은하 중심에서 멀어질수록 별 이동 속도 급감…"은하 중심이 생각보다 가벼울 수 있어" (2024. 1. 29. 조선일보)

https://www.chosun.com/economy/science/2024/01/29/P46TXXXLDVD53L3HJKDEIDNUXM/