암흑물질 검출을 위한 중력파 검출기

<이 글은 PHYS.ORG에 등재된 ‘Gravitational wave detectors to search for dark matter’을 번역한 글입니다.>

중력파 검출기는 중력파 이외의 신호도 충분히 검출해 낼 수 있을 것이다. 새로운 연구에 따르면, 암흑 물질이 ”암흑광자(dark photon)” 라 불리는 특별한 종류의 입자들로 구성되어 있다면, 암흑물질 또한 탐지 할 수 있을 것이라고 말한다. LIGO의 과학자들은 가까운 미래에, 기존 암흑광자 모수 공간의 미지 영역을 포함하는 암흑 광자들을 탐지할 계획이다.

이 연구를 수행한 미시간 대학의 Aaron Pierce과 Keith Riles, Yue Zhao는 Physical Review Letters에 투고된 논문을 통해 중력파 검출기를 이용한 암흑물질 탐색을 제안했다.

“이 제안은 새롭게 태동한 중력파 천문학과 입자물리학과의 멋진 연결점”이라고 Zhao는 phys.org과의 인터뷰에서 설명한다. 이어서 그는 “현재의 중력파 검출기에 대한 어떠한 수정 없이도, 5 시그마 정도의 정밀도를 가진 매우 민감한 암흑물질 검출기로 이용 가능하다.”고 전한다.

그들의 논문에 따르면, 암흑광자의 질량이 매우 가볍다면, 그 질량에 의존하는 주파수의 배경장 진동으로 설명 가능 할 것이라고 한다. 이 배경장의 진동은 중력파 검출기의 시험 질량에 진동을 야기시키기 때문에, 현재의 중력파 검출기에서도 충분히 검출해 낼 수 있다는 것이다. 즉, 중력파 검출기의 양 팔에 위치해 있는 두개의 시험 질량의 위치가 변화 한다면, 이 위치 변화의 요인은 암흑광자장의 진동과 관계된 상대적 위상 차에 기인 할 것이라는 설명이다.

물리학자들은 LIGO와 같은 현재의 지상 기반 중력파 검출기 뿐만 아니라 LISA와 같은 미래의 우주기반 중력파 검출기들이 암흑물질와 암흑광자에 대한 검출을 가능하게 할 것이라고 말한다. 또한 하나 이상의 검출기는 보다 나은 민감도를 제공할 수 있고, 교차검증 역시 가능하게 할 것이다.

과학자들은 향후에 보다 발전된 형태의 새로운 암흑물질 탐지 방법을 개발하는 것과 함께, 중력파 검출기가 신호를 탐지했을 때 암흑광자 신호를 정확히 구분해 낼 수 있도록 힘을 쏟고 있다.

Zhao는 이에 “우리는 이론적 제안을 넘어서 실현될 수 있도록 할 계획”이라며, “첫째로, 우리는 간단한 신호탐지 모델과 탐지 알고리즘을 이용한 데이터 분석을 수행할 예정이다. 그러면 우리는 현재의 탐지 방법과 검출기의 응답 및 자세한 신호 모사 등을 점진적으로 개선해 나갈 것이다.”고 전한다.

자세한 정보: 

Aaron Pierce, Keith Riles, and Yue Zhao. "Searching for Dark Photon Dark Matter with Gravitational Wave Detectors." Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.061102 

Also at arXiv:1801.10161 [hep-ph]