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그림자 물질

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목차

1. 개요

그림자 물질은 패리티 대칭성 위반과 거울 물질 이론의 발전을 배경으로 하는 물리학 개념이다. 이는 일반 물질과 약하게 상호작용하는 거울 입자로 구성되며, 중력 이외의 상호작용은 거울 보손의 교환이나 홀덤 입자를 통해 이루어진다. 이러한 특성으로 인해 그림자 물질은 암흑 물질의 후보로 제시되었으며, 중력 마이크로렌징, 별의 스펙트럼 도플러 편이, 전자기장 침투 실험 등을 통해 관측될 수 있다. 또한, 중성자-거울 중성자 진동을 통해 GZK 퍼즐을 해결하는 데 기여할 수 있으며, DAMA/NaI 실험 결과와 일치하는 암흑 물질 후보로도 연구되고 있다.

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그림자 물질
개요
거울 물질의 개념도
거울 물질의 개념도
설명일반 물질의 가설적 대응 물질
특성
상호작용중력을 통해서만 상호작용할 가능성이 있음
관측 가능성현재 직접적인 관측 증거는 없음
관련 이론암흑 물질의 후보 중 하나로 거론됨

2. 역사적 배경

현대 물리학에서 다루는 공간 대칭성에는 반사, 회전, 병진의 세 가지 기본 유형이 있다. 알려진 소립자는 회전 및 병진 대칭성을 가지지만, 반사 대칭성(P-대칭 또는 패리티)은 약한 상호작용에서 깨진다.

리정다오와 양전닝[2]은 1956년에 모든 입자가 거울 파트너를 가지도록 입자 콘텐츠를 확장하면 패리티 대칭성이 자연의 근본적인 대칭성으로 복원될 수 있다고 제안했다. 현대적 형태의 거울 물질 이론은 1991년에 기술되었다.[9] 거울 입자는 일반 입자와 동일한 방식으로 서로 상호작용하며, 일반 입자가 왼손잡이 상호작용을 하는 경우 거울 입자는 오른손잡이 상호작용을 한다.

거울 물질은 존재한다면 일반 물질과 매우 약하게 상호작용한다. 이는 거울 입자 간의 힘이 거울 보손에 의해 매개되기 때문이다. 중력을 제외하고, 알려진 보손 중 어느 것도 거울 파트너와 동일할 수 없다. 거울 물질이 중력 이외의 힘을 통해 일반 물질과 상호작용할 수 있는 유일한 방법은 거울 보손과 일반 보손의 운동 혼합을 통해서이며, 이러한 상호작용은 매우 약하다. 따라서 거울 입자는 암흑 물질의 후보로 제안되었다.[14][15][16][17][18]

다른 맥락에서,[19] 거울 물질은 전약력 대칭 깨짐을 담당하는 효과적인 힉스 메커니즘을 일으키는 것으로 제안되었다. 이러한 시나리오에서 거울 페르미온은 1 TeV 정도의 질량을 가지며, 이러한 거울 입자는 카토프론[19][20][21]이라고 불린다.

2. 1. 패리티 대칭성 위반

현대 물리학은 반사, 회전, 병진의 세 가지 기본적인 공간 대칭성을 다룬다. 알려진 기본 입자들은 회전 및 병진 대칭성을 따르지만, 거울 반사 대칭성(P-대칭 또는 패리티라고도 함)은 따르지 않는다. 4가지 기본 상호작용 중 약력만이 패리티를 깬다.

약력에서의 패리티 위반은 1956년 리정다오와 양전닝[2]에 의해 퍼즐의 해결책으로 처음 제기되었다. 실험 물리학자 우젠슝과의 협의를 통해 약력에 패리티 불변성이 실제로 존재하는지 테스트하기 위한 여러 가능성이 제안되었다. 이 그룹의 제안 중 하나는 코발트-60의 붕괴를 관찰하는 것이었다.



{}^{60}_{27}\text{Co} \rightarrow {}^{60}_{28}\text{Ni} + e^- + \bar{\nu}_e + 2{\gamma}



두 감마선처럼 방출되는 전자가 등방성인지 확인하기 위해서였다. 우젠슝은 9개월간의 연구 끝에 국립표준국 (워싱턴 D.C.)에서 이 실험을 수행했다. 대부분의 예상과 달리, 1956년 12월에 그녀와 그녀의 팀은 비등방성 전자 방출을 관찰하여 알려진 입자의 약력 상호작용이 패리티를 위반한다는 것을 증명했다.[3][4][5][6][7][8]

2. 2. 거울 물질 이론의 발전

현대 물리학은 반사, 회전, 병진과 같은 세 가지 기본적인 공간 대칭성을 다룬다. 알려진 기본 입자들은 회전 및 병진 대칭성을 따르지만, 거울 반사 대칭성(P-대칭 또는 패리티)은 약한 상호작용에서 깨진다.[2]

1956년, 리정다오와 양전닝은 τ-θ 퍼즐을 해결하기 위해 약력에서의 패리티 위반을 처음 제기했다.[2] 우젠슝과의 협의를 통해 약력의 패리티 불변성을 실험적으로 검증할 여러 방법이 제안되었고, 그중 코발트-60 붕괴 관찰 실험이 진행되었다. 1956년 12월, 우젠슝과 연구팀은 국립표준국에서 비등방성 전자 방출을 관찰하여 약력 상호작용이 패리티를 위반한다는 것을 증명했다.[3][4][5][6][7][8]

하지만 모든 입자가 거울 파트너를 가지도록 입자 구성을 확장하면 패리티 대칭성을 자연의 근본적인 대칭성으로 복원할 수 있다. 현대적 형태의 거울 물질 이론은 1991년에 기술되었으며,[9] 거울 입자는 일반 입자와 동일한 방식으로 상호작용하지만, 왼손잡이와 오른손잡이 상호작용이 반대이다. 힉스 퍼텐셜에 따라 패리티 대칭성이 자발적으로 깨질 수도 있다.[12][13]

3. 거울 물질의 특징

현대 물리학은 반사, 회전, 병진과 같은 세 가지 기본적인 공간 대칭성을 다룬다. 알려진 기본 입자들은 회전 및 병진 대칭성을 따르지만, 거울 반사 대칭성(P-대칭 또는 패리티)은 따르지 않는다. 4가지 기본 상호작용 중 약력만이 패리티를 깬다.

약력에서 패리티 위반은 1956년 리정다오와 양전닝[2]이 퍼즐의 해결책으로 처음 제기하였다. 우젠슝과의 협의를 통해 약력에 패리티 불변성이 실제로 존재하는지 확인하기 위한 실험이 제안되었고, 코발트-60 붕괴 관찰 실험 결과, 비등방성 전자 방출이 관찰되어 약력 상호작용이 패리티를 위반한다는 것이 증명되었다.[3][4][5][6][7][8]

하지만 모든 입자가 거울 파트너를 갖도록 입자 콘텐츠를 확장하면 패리티 대칭성이 자연의 근본적인 대칭성으로 복원될 수 있다. 현대적 형태의 이론은 1991년에 기술되었지만,[9] 기본 아이디어는 더 오래되었다.[2][10][11] 거울 입자는 일반 입자와 동일한 방식으로 서로 상호작용하며, 일반 입자가 왼손잡이 상호작용을 하는 경우 거울 입자는 오른손잡이 상호작용을 한다. 패리티는 힉스 퍼텐셜에 따라 자발적으로 깨질 수 있다.[12][13] 깨지지 않은 패리티 대칭성의 경우 입자의 질량은 거울 파트너와 동일하지만, 깨진 패리티 대칭성의 경우 거울 파트너는 더 가볍거나 더 무거울 수 있다.

3. 1. 상호작용 방식

거울 물질이 존재한다면, 일반 물질과 매우 약하게 상호작용한다. 거울 입자 간의 힘은 거울 보손에 의해 매개되기 때문이다. 중력자를 제외하고, 알려진 보손 중 어느 것도 거울 파트너와 동일하지 않다. 거울 물질이 중력 이외의 힘을 통해 일반 물질과 상호작용할 수 있는 유일한 방법은 거울 보손과 일반 보손의 운동 혼합을 통해서이다.[14][15][16][17][18] 이러한 상호작용은 매우 약하다.

3. 2. 암흑 물질 후보

거울 입자는 암흑 물질의 후보로 제안되었다.[14][15][16][17][18] 거울 입자는 일반 입자와 동일한 방식으로 서로 상호작용하지만, 일반 입자가 왼손잡이 상호작용을 하는 경우 거울 입자는 오른손잡이 상호작용을 한다. 거울 물질은 일반 물질과 약하게 상호작용하며, 이는 거울 입자 간의 힘이 거울 보손에 의해 매개되기 때문이다. 중력자를 제외하고, 알려진 보손 중 어느 것도 거울 파트너와 동일할 수 없다. 거울 물질이 중력 이외의 힘을 통해 일반 물질과 상호작용할 수 있는 유일한 방법은 거울 보손과 일반 보손의 운동 혼합을 통해서이며, 이러한 상호작용은 매우 약하다.

만약 거울 물질이 우주에 많이 존재하고, 광자-거울 광자 혼합을 통해 일반 물질과 상호 작용한다면, DAMA/NaI 및 DAMA/LIBRA와 같은 암흑 물질 직접 탐지 실험에서 검출될 수 있다.[24][25] 이는 다른 암흑 물질 실험의 결과와도 일치하면서 DAMA/NaI 암흑 물질 신호를 설명할 수 있는 몇 안 되는 암흑 물질 후보 중 하나이다.

4. 거울 물질의 관측 효과

거울 물질은 여러 가지 물리 현상을 통해 그 존재를 확인할 수 있을 것으로 예상된다. 거울 물질이 우주에 충분히 존재한다면 중력 효과를 통해 간접적으로 관측할 수 있다. 또한, 거울 물질은 일반 물질과 매우 약하게 상호작용할 수 있는데, 이는 거울 보손과 일반 보손의 운동 혼합을 통해 가능하다.

셸던 글래쇼는 일반 물질과 거울 물질 모두와 강하게 상호작용하는 입자가 존재한다면, 광자와 거울 광자 사이에 혼합이 발생할 수 있다고 보았다.[68] 이는 거울 전하가 아주 작은 일반 전하를 갖는 효과를 유발하며, 포지트로늄이 거울 포지트로늄으로 변환된 후 거울 광자로 붕괴되는 현상을 일으킬 수 있다. 이러한 효과를 측정하기 위한 실험이 계획되고 있다.[69]

거울 물질은 암흑 물질의 유력한 후보 중 하나로, DAMA/NaI 및 DAMA/LIBRA와 같은 암흑 물질 직접 검출 실험에서 검출될 가능성이 있다.[70][71] 이 외에도 거울 물질은 전자기장 침투 실험[72], 행성 과학[73][74], GZK 한계[75] 등 다양한 분야에서 그 흔적을 찾을 수 있을 것으로 기대된다.

4. 1. 중력 효과

거울 물질이 우주에 충분한 양으로 존재한다면, 그 중력 효과를 감지할 수 있다. 거울 물질은 일반 물질과 유사하므로, 거울 은하, 거울 별, 거울 행성 등의 형태로 존재할 것으로 예상된다. 이러한 물체는 마이크로렌즈를 사용하여 감지할 수 있다.[35] 또한 별의 일부가 거울 물체를 동반자로 가질 것으로 예상된다. 이러한 경우 별의 스펙트럼에서 주기적인 도플러 이동을 감지할 수 있을 것이다.[17] 이러한 효과가 이미 관측되었을 수 있다는 몇 가지 징후가 있다.[36]

4. 2. 전자기 효과

현대 물리학은 세 가지 기본적인 공간 대칭성(반사, 회전, 병진)을 다루는데, 알려진 기본 입자들은 회전 및 병진 대칭성은 따르지만 거울 반사 대칭성(P-대칭 또는 패리티)은 따르지 않는다. 4가지 기본 상호작용 중 약력만이 패리티를 깬다. 하지만 모든 입자가 거울 파트너를 갖도록 입자 콘텐츠를 확장하면 패리티 대칭성이 자연의 근본적인 대칭성으로 복원될 수 있다. 거울 입자는 일반 입자와 동일한 방식으로 서로 상호작용하며, 일반 입자가 왼손잡이 상호작용을 하는 경우 거울 입자는 오른손잡이 상호작용을 한다.

거울 물질이 존재한다면 일반 물질과 약하게 상호작용할 것이다. 거울 입자 간의 힘은 거울 보손에 의해 매개되기 때문이다. 중력자를 제외하고, 알려진 보손 중 어느 것도 거울 파트너와 동일할 수 없다. 거울 물질이 중력 이외의 힘을 통해 일반 물질과 상호작용할 수 있는 유일한 방법은 거울 보손과 일반 보손의 운동 혼합을 통해서이며, 이러한 상호작용은 매우 약하다.

셸던 글래쇼는 어떤 고에너지 규모에서 일반 입자와 거울 입자 모두와 강하게 상호 작용하는 입자가 존재한다면, 복사 보정이 광자와 거울 광자 사이의 혼합을 초래할 것이라고 밝혔다.[22] 이 혼합은 거울 전하에 매우 작은 일반 전하를 부여하는 효과를 갖는다. 광자-거울 광자 혼합의 또 다른 효과는 포지트로늄과 거울 포지트로늄 사이의 진동을 유도한다는 것이다. 그러면 포지트로늄이 거울 포지트로늄으로 변환된 후 거울 광자로 붕괴될 수 있다.

광자와 거울 광자 간의 혼합은 트리 레벨 페르미 다이어그램에 존재하거나 일반 전하와 거울 전하를 모두 갖는 입자의 존재로 인한 양자 보정의 결과로 발생할 수 있다. 후자의 경우, 양자 보정은 1 루프 및 2 루프 레벨 페르미 다이어그램에서 사라져야 한다. 그렇지 않으면 운동 혼합 매개변수의 예측 값이 실험적으로 허용되는 것보다 커질 것이다.[22]

2003년 11월에 이 효과를 측정하기 위한 실험이 계획되었다.[23] 거울 물질은 전자기장 침투 실험에서도 감지될 수 있으며[26], 행성 과학[27][28] 및 천체물리학에도 영향을 미칠 수 있다.[29]

4. 3. 중성자-거울 중성자 진동

중성자는 일반 물질의 전기적으로 중성인 입자로, 거울 파트너인 거울 중성자로 진동할 수 있다.[37] 최근 실험에서는 거울 세계로 사라지는 중성자를 찾고 있다. 대부분의 실험에서는 신호가 발견되지 않아 거울 상태로의 전이율에 대한 제한을 두었으며,[38][39][40][41] 한 논문에서는 신호를 주장하기도 했다.[42] 현재 연구에서는 인가된 자기장이 중성자의 에너지 준위를 거울 세계에 맞춰 조정하는 신호를 찾고 있다.[43][44] 이러한 에너지 차이는 거울 세계에 존재하는 거울 자기장, 또는 중성자와 그 거울 파트너의 질량 차이로 해석될 수 있다.[45] 이러한 거울 세계로의 전이는 중성자 수명 퍼즐을 해결할 수도 있다.[46]

거울 중성자 진동을 탐지하는 실험은 스위스 파울 셰러 연구소의 UCN(극저온 중성자) 소스,[45] 프랑스의 라에-랑제뱅 연구소, 미국 오크리지 국립 연구소의 스팔레이션 중성자원을 통해 진행되고 있다.[44][47]

4. 4. GZK 퍼즐

거울 물질은 GZK 퍼즐의 원인이 될 수 있다. 거울 부문 내의 위상 결함은 일반 중성미자로 진동할 수 있는 거울 중성미자를 생성할 수 있다.[30] GZK 경계를 회피하는 또 다른 가능한 방법은 중성자-거울 중성자 진동을 통하는 것이다.[31][32][33][34]

5. 용어

거울 물질(Mirror Matter)은 반물질(안티매터)을 대체하는 용어로 물리학자이자 작가인 로버트 L. 포워드가 제안했다.[80] 이는 반물질이 일반적인 물질과 모든 속성의 부호가 반전된 것을 제외하면 같다는 점을 강조하기 위한 시도였다. 그러나 반물질에 대한 "거울 물질"이라는 이 용법은 다른 곳에서 널리 사용되지 않았으며 현재도 일반적으로 사용되지 않는다.

6. 한국의 거울 물질 연구 (추가 제안)

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참조

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