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알파 자기 분광기

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1. 개요

알파 자기 분광기(AMS)는 우주에서 반물질, 암흑 물질, 우주선을 탐색하는 입자 검출기이다. 1995년 MIT의 사뮤엘 팅이 제안하여, 1998년 AMS-01이 우주왕복선 디스커버리에 탑재되어 발사되었다. AMS-02는 국제 우주 정거장(ISS)에 설치되어 암흑 물질의 증거를 찾고, 우주선의 특성을 측정하여 우주의 기원을 연구하는 것을 목표로 한다. 2011년 ISS에 설치되었으며, 여러 차례의 수리 및 업그레이드를 거쳐 2024년까지 2,300억 개 이상의 우주선 데이터를 수집했다.

2. 역사

알파 자기 분광기(AMS) 프로젝트는 1995년 매사추세츠 공과대학교(MIT) 입자물리학자 사무엘 팅이 초전도 초충돌기가 취소된 직후 제안하였다. 원래 이름은 '''반물질 분광기'''였으며, 반물질/물질 ≈10−9의 목표 분해능으로 원시 반물질을 찾는 것을 목표로 했다.[17][4][18][5] 이 제안은 받아들여졌고, 팅은 주 연구자가 되었다.[19]

2. 1. AMS-01

'''AMS-01'''은 팅(Ting)의 지휘 아래 국제 컨소시엄이 제작하고 1998년 6월 STS-91 임무로 우주왕복선 ''디스커버리''에 탑재되어 우주로 발사된 AMS의 프로토타입이다. AMS-01은 반헬륨을 검출하지는 못했지만, 반헬륨 대 헬륨 플럭스 비율의 상한선을 1.1×10−6으로 설정했고[20], 탐지기 개념이 우주에서 작동한다는 것을 증명했다. 이 우주왕복선 임무는 ''미르'' 우주 정거장으로의 마지막 우주왕복선 비행이었다.

2. 2. AMS-02

제네바에서 조립 검사를 받는 AMS-02


'''AMS-02'''는 16개국 56개 기관, 500명의 과학자가 참여한 국제 협력 프로젝트를 통해 개발된 본격적인 연구 시스템이다. 미국 에너지부(DOE)의 후원을 받았다. CERN에서 최종 통합 및 작동 테스트를 거쳤으며, 초전도 자석 대신 비초전도 자석을 사용하여 수명을 연장했다. 2011년 우주왕복선 인데버호를 통해 국제 우주 정거장(ISS)에 설치되었다. 2003년 컬럼비아호 참사 이후, 예산이 20억달러로 증가하였다.[31][32]

매사추세츠 공과대학교의 입자물리학자 사무엘 차오 칭 팅이 알파 자기 분광기(AMS) 기획을 제안했으며, 1995년에 제안이 승인되어 팅은 대표 연구자가 되었다.

AMS-02는 에너지부의 지원 아래, 전 세계 16개국 500명의 과학자와 56개 기관이 참여하여 제작되었다. AMS-02가 필요로 하는 전력은 일반적인 우주선으로는 감당할 수 없을 정도로 크다고 여겨져, 국제 우주 정거장(ISS) 외부의 트러스에 장착하여 ISS의 전력으로 가동하도록 설계되었다. 컬럼비아 우주왕복선 참사 이후 재개된 우주 개발 계획에서, AMS-02는 국제 우주 정거장 조립 순서 '''UF4.1'''에 따라 2005년에 ISS에 설치될 예정이었지만, 기술적 어려움과 우주왕복선 비행 일정 변경으로 인해 예정이 대폭 늦어져, 한때 발사 전망이 불투명한 상태가 되기도 했다.[75]

최종 조립 시험은 CERN이 있는 스위스 제네바에서 진행되었다. CERN의 입자 가속기가 발생시킨 강력한 핵자빔 조사 시험을 받았으며, 실험은 성공적으로 종료되었다.[76] 이후 본체는 2010년 2월 16일 네덜란드의 유럽 우주 연구 기술 센터로 보내져, 열 진공 시험, 전자기 양립성 시험, 전파 장애 등의 시험을 받았다. 열 진공 시험 결과, 초전도 자석을 냉각하는 데 충분한 극저온을 유지할 수 없는 문제가 드러났다.

오바마 행정부가 ISS를 2015년 이후에도 연장 운용할 계획이었기 때문에, 운영 본부는 AMS-02에서 사용될 예정이었던 초전도자석을 AMS-01에서 사용되었던 상전도 자석으로 교체하기로 결정했다. 상전도 자석은 자기장이 약하지만, ISS에서의 운용 기간은 초전도의 3년에 비해 10년에서 18년까지 연장할 수 있어, 데이터 수집의 감도를 높이는 데 중요한 요소가 될 것으로 여겨진다.[77]

1999년 AMS-01 비행 성공 당시, 2003년 예정되었던 AMS-02를 포함한 계획 총비용은 3300만달러로 예상되었다.[79] 그러나 2003년 컬럼비아호 공중 분해 사고와 AMS-02 제조의 기술적 어려움으로 인해 비용은 15억달러까지 증가했다.[80]

이 막대한 비용은 혹독한 비난의 대상이 되었고,[73] AMS-02의 실현이 위태로웠던 시기가 있었다. AMS-02는 우주왕복선 비행 계획이 확정되지 않아 몇 년 동안 발사 여부조차 불확실했다.[82] 2003년 컬럼비아호 사고 이후, NASA는 왕복선 비행 횟수를 줄이고 남은 기체를 2010년까지 퇴역시키기로 결정했다. 많은 비행이 취소되었고, AMS-02도 예외는 아니었다.[73] 2006년 NASA는 AMS-02를 ISS로 수송하기 위한 몇 가지 대안을 검토했지만, 모두 비용이 너무 많이 들어 실행할 수 없었다.[82]

2008년 5월, 왕복선 비행을 추가하여 2010년 또는 2011년에 AMS-02를 ISS에 설치하는 예산안이 제출되었다.[83] 이 안건은 2008년 7월 11일 미국 하원 본회의를 통과[84]한 후, 미국 상원의 상업·과학·운송 위원회로 보내져 승인되었다. 일부 수정 후, 같은 해 9월 25일 상원 본회의를 통과하고, 9월 27일 하원에서 가결되었다.[85] 10월 15일 조지 W. 부시 미국 대통령이 이 안건에 서명[86][87]하여, NASA는 왕복선을 퇴역시키기 전에 추가 비행을 할 수 있게 되었다. 2009년 1월, NASA는 AMS-02의 왕복선 탑재 비행 예정일을 수정했고, 최종적으로 2011년 5월 STS-134로 발사되었다.

3. 국제 우주 정거장(ISS) 설치 및 운영

국제 우주 정거장 내부의 장착 위치에 설치된 AMS-02의 컴퓨터 그래픽스 이미지


AMS-02는 2011년 5월 19일, 우주 정거장 조립 비행 '''ULF6'''의 일부로, 마크 켈리가 지휘하는 우주 왕복선 비행 STS-134에 탑재되어 국제 우주 정거장(ISS)으로 운송되었다.[41] 우주 왕복선의 로봇 팔을 사용하여 우주 왕복선 화물칸에서 꺼내어 설치를 위해 우주 정거장의 로봇 팔로 넘겨졌다. AMS-02는 트러스의 S3 요소인 USS-02, 천정 측면의 Integrated Truss Structure 위에 장착되었다.[42]

3. 1. 운영, 상태 및 수리

2017년 4월, AMS-02 실리콘 트래커의 4개 냉각 펌프 중 하나만 완전히 작동했다. AMS-02는 우주에서 서비스를 받도록 설계되지 않았지만, 수리가 계획되었다.[43][44] 2019년에는 마지막 펌프마저 간헐적으로 작동했다.[44] 이에 4년간의 계획 끝에 2019년 11월, 4번의 EVA을 통해 현장 수리를 하기 위한 특별 도구와 장비가 ISS로 보내졌다.[45] 액체 이산화탄소 냉각수도 보충되었다.[44]

수리는 원정 61호의 ISS 승무원들이 수행했다. ESA 우주 비행사 루카 파르미타노와 NASA 우주 비행사 앤드루 모건이 우주 유영을 담당했다. NASA 우주 비행사 크리스티나 코흐와 제시카 메이어는 스테이션 내부에서 캐나다암2 로봇 팔을 조작하여 이들을 지원했다. 이 우주 유영은 "[마지막] 허블 수리 이후 가장 어려운" 작업으로 묘사되었다.[46]

ESA 우주 비행사 루카 파르미타노, 캐나다암2 로봇 팔에 연결되어 AMS용 새로운 열 펌프 시스템을 운반한다.


이 우주 유영 과정은 디즈니+ 다큐멘터리 시리즈 Among The Stars의 핵심 내용으로 기록되었다.

4. 기술 사양

항목내용
질량7500kg
구조 재료스테인리스강
전력2,500 W
내부 데이터 전송 속도7 Gbit/s
지상으로의 데이터 전송 속도2 Mbit/s (일반, 평균)[53]
주 임무 기간10~18년
설계 수명3년[44]
자기장 세기1200kg의 영구 네오디뮴 자석에 의해 생성된 0.15 테슬라[53]
원래의 초전도 자석1.8 K에서 2개의 니오브-티타늄 코일로 중앙 자기장 0.87 테슬라 생성[54] (실제 장치에서는 사용되지 않음)
비고AMS-02 비행 자석은 초전도 시스템의 작동에 대한 신뢰성 문제를 해결하고 실험 수명을 연장하기 위해 비초전도 AMS-01 버전으로 변경됨



오바마 행정부는 ISS를 2015년 이후에도 연장 운용할 계획이었으므로, 운영 본부는 AMS-02에서 사용될 예정이었던 초전도자석을 AMS-01에서 사용되었던 상전도 자석으로 교체하기로 결정했다. 상전도는 자기장이 약하지만, ISS에서의 운용 기간은 초전도의 3년에 비해 10년에서 18년까지 연장할 수 있다. 이는 데이터를 수집하는 데 있어서 실험의 감도를 높이는 데 중요한 요소가 될 것으로 여겨진다.[77]

5. 설계

AMS-02는 다양한 종류의 검출기로 구성되어 입자의 특성을 측정한다. 탐지기 모듈은 방사선과 입자가 통과하면서 다양한 특성을 결정하는 데 사용되는 일련의 탐지기로 구성된다. 특성은 위에서 아래로 통과하는 입자에 대해서만 결정된다. 다른 각도로 탐지기에 들어가는 입자는 거부된다. 위에서 아래로 배열된 하위 시스템은 다음과 같다.[81]


  • 전이 방사선 검출기(TRD): 가장 높은 에너지 입자의 속도를 측정한다.
  • 비행 시간 측정기(ToF): 상부 및 하부 비행 시간 계수기는 낮은 에너지 입자의 속도를 측정한다.
  • 별 추적기: 우주에서 모듈의 방향을 결정한다.
  • 실리콘 추적기: 자기장 내에서 전하 입자의 좌표를 측정한다. 6개 위치에 9개의 디스크로 구성되어 있으며, 4개의 중복 냉각 펌프가 있다.
  • 영구 자석: 전하 입자의 경로를 구부려 식별할 수 있도록 한다.
  • 반동시 계수기(ACC): 측면을 통해 들어오는 미립자를 거부한다.
  • 링 이미징 체렌코프 검출기(RICH): 극도의 정확도로 빠른 입자의 속도를 측정한다.
  • 전자기 열량계(ECAL): 입자의 총 에너지를 측정한다.

6. 과학적 목표

AMS-02는 반물질, 암흑 물질을 탐색하고 우주선을 측정하여 우주의 기원을 이해하고 관련 지식을 발전시키는 것을 목표로 한다.[42] 이를 위해 국제 우주 정거장(ISS)에 관측 장비를 설치하여 우주로부터 장기간에 걸쳐 우주선을 정밀하게 관측하는 연구를 수행한다.

6. 1. 반물질

우리 은하는 물질로 구성되어 있다는 것이 실험적으로 증명되었다. 과학자들은 관측 가능한 우주에 약 1,000억 ~ 2,000억 개의 은하가 있다고 추정하며, 빅뱅 이론에 따르면 우주 초기에는 물질과 반물질이 같은 양으로 존재해야 한다. 이러한 불균형을 설명하는 이론들은 다른 측정 결과와 모순된다. 반물질의 존재 여부는 우주의 기원과 본질에 대한 근본적인 질문 중 하나이며, 반헬륨 핵 관측은 우주에 반물질이 존재한다는 증거를 제공할 수 있다.[5] 1999년 ''AMS-01'' 실험에서 우주의 반헬륨/헬륨 플럭스 비율 상한값을 10−6으로 설정했다. AMS-02는 ''AMS-01''보다 1,000배 향상된 10−9의 감도로 반물질을 탐색하여, 팽창하는 우주의 가장자리에 도달해 이 문제를 결정적으로 해결할 수 있을 것으로 기대된다.[5]

은하계가 물질로 구성되어 있다는 것은 실험적으로 검증되었고, 관측 가능한 우주 안의 100억 개 이상의 은하도 마찬가지로 물질로 구성되어 있다고 생각된다. 빅뱅 이론에 따르면 우주 탄생 직후 물질과 반물질은 같은 양으로 쌍생성되었다. 그러나 현재까지 관측 결과 자연계에서 반물질은 거의 발견되지 않았으며, 이러한 불균형은 CP 대칭성 깨짐으로 설명된다. 반헬륨 원자핵을 직접 관측하여 우주의 물질과 반물질 존재 비율을 파악하면 소립자론이나 우주 초기의 모습을 이해하는 단서가 될 수 있다. 1999년 AMS-01 관측에서 우주 전체 헬륨과 반헬륨의 플럭스비(검출기에 들어오는 양의 비)는 감도 한계 10−6보다 작았다. AMS-02는 감도 한계를 10−9까지 낮춰 반물질 존재 비율을 밝힐 것으로 기대된다.

6. 2. 암흑 물질

별과 같은 우주의 가시 물질은 여러 관측에서 알려진 총 질량의 5% 미만에 불과하다. 나머지 95%는 암흑 물질(우주의 20%를 차지하는 것으로 추정)과 암흑 에너지로 이루어져 있다. 이 둘의 정확한 본질은 아직 알려지지 않았다. 암흑 물질의 유력한 후보 중 하나는 중성미자이다. 중성미자가 존재한다면 서로 충돌하여 AMS-02에 의해 감지될 수 있는 과도한 하전 입자를 방출할 것이다. 배경 양전자, 반양성자, 또는 감마선 플럭스에서 나타나는 피크는 중성미자 또는 다른 암흑 물질 후보의 존재를 알릴 수 있지만, 잘 알려지지 않은 혼동 천체물리학적 신호와 구별해야 한다.

6. 3. 스트레인지렛

쿼크에는 업, 다운, 스트레인지, 참, 바닥, 톱의 6가지 종류가 있지만, 지구상의 물질 대부분은 업 쿼크와 다운 쿼크로만 구성되어 있다. 업 쿼크, 다운 쿼크와 결합된 스트레인지 쿼크로 구성된 안정적인 물질이 존재하는지는 근본적인 질문이다. 이러한 물질의 입자는 스트레인지렛으로 알려져 있으며, 극도로 큰 질량과 매우 작은 전하-질량비를 가질 수 있어 완전히 새로운 형태의 물질이 될 것이다. AMS-02는 이 특별한 물질이 우리 주변 환경에 존재하는지 여부를 결정할 수 있다.[1][2]

쿼크의 종류와 지구상 물질 구성의 불균형, 그리고 스트레인지렛 가설은 다음과 같이 요약할 수 있다.

  • 쿼크는 6종류(업, 다운, 스트레인지, 참, 바닥, 톱)가 존재하지만, 지구상 물질은 주로 업 쿼크와 다운 쿼크로 구성되어 있다.
  • 업, 다운, 스트레인지 쿼크로 구성된 스트레인지렛의 존재가 가설로 제안되었으나, 아직 관측된 사례는 없다.
  • 스트레인지렛은 질량이 매우 크고 전하는 극단적으로 작아, 기존 물질과는 다른 새로운 형태일 것으로 예상된다.
  • AMS-02는 스트레인지렛 가설을 검증할 관측 결과를 제공할 것으로 기대된다.

6. 4. 우주 방사선 환경

우주 방사선은 인류의 화성 탐사에 있어 중요한 장애물이다. 적절한 대책을 계획하기 위해서는 우주 방사선 환경에 대한 정확한 측정이 필요하다. 대부분의 우주선 연구는 며칠 단위로 비행 시간이 측정되는 기구에 실어 수행하며, 이 연구들은 상당한 변동성을 보여주었다. AMS-02는 국제 우주 정거장(ISS)에서 작동하며, 방대한 양의 정확한 데이터를 수집하고, 양성자에서 철에 이르기까지 광범위한 에너지 범위에 걸쳐 우주선 플럭스의 장기적인 변화를 측정할 수 있게 해준다. 이 데이터는 행성 간 비행 중 우주 비행사에게 필요한 방사선 방호에 대한 이해 외에도, 우주선의 성간 전파 및 기원을 식별하는 데 도움이 될 것이다.

7. 연구 결과

2013년, AMS는 0.5~350 GeV 에너지 범위에서 양전자 비율 증가를 보고했다. 이는 암흑 물질의 약하게 상호 작용하는 거대 입자(WIMP) 모델에 대한 증거를 제시했지만, 다른 가능성을 완전히 배제할 수는 없었다.[58]

2014년, 500 GeV까지의 양전자 분율 측정을 통해 275 ± 32 GeV 근처에서 최고점에 도달함을 확인했다. 500 GeV 이상에서는 양전자 대 전자 비율이 다시 감소하기 시작했다.[59][60][61]

2016년, AMS 팀은 수십억 개의 헬륨 핵 중에서 몇 개의 반헬륨 핵 신호를 발견했다고 발표했다. 이 결과는 아직 확인되지 않았으며, 오염 가능성을 배제하기 위한 연구가 진행 중이다.[63]

2019년, 페르미 감마선 우주 망원경 데이터를 이용한 연구에서 인근 펄서 제미나 주변의 헤일로가 발견되었다. 이 헤일로는 AMS-02 실험에서 관찰된 고에너지 양전자의 최대 20%를 설명할 수 있다.[64]

2021년, ISS의 AMS-02는 반헬륨-3 검출 가능성을 보여주는 8개의 이벤트를 기록했다.[65][66]

2024년, AMS는 전자, 양전자, 양성자, 반양성자 등 기본 입자에 대한 고에너지 핵물리학 데이터를 통해 기존 우주 모델의 재평가가 필요함을 제시했다. AMS가 수집한 방대한 데이터는 우주에 대한 기존 모델을 재평가하는 데 중요한 자료로 활용되고 있다.[67]

참조

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