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preprint: https://arxiv.org/pdf/2006.09721.pdf

-그러나 아직 단정 짓기는 이르다-

지난 6월 17일경 XENON1T 실험단은 온라인 세미나를 통해 예측하지 못한 신호의 발견을 발표했다. XENON1T는 이탈리아에 위치한 암흑물질 탐색을 위한 실험으로써, 3.2톤의 고순도 액체 제논을 거대한 탱크 안에 넣어놓고 암흑물질이 탱크 속의 물질과 반응할 때 나오는 신호를 찾는 실험이다.

2016년부터 2018년 사이에 1년간의 데이터 수집을 통해 원래 예측된 신호의 갯수는 232개(+-15개)였으나 이보다 53개 많은 285개의 신호가 관측되었다.(그림 [1]) 1년간의 분석 끝에 연구진은 크게 다음의 3가지를 신호의 원인으로 추정하였다.

(물론, 통계적인 영향이라는 시나리오도 아직 열려있다. 통계적인 영향이라면 추가적인 데이터 수집으로 예측값과 측정값의 차이가 줄어들 것이다.)

1. 삼중수소

액체 제논에 불순물로서 포함된 삼숭수소는 자연 붕괴할 때, 발견된 신호와 비슷한 수준의 에너지를 발생한다. 다만 측정된 신호와 비슷한 효과를 내기 위한 삼중수소의 양이 극히 미량(10^26개의 제논 원자 중 삼숭수소는 1개 수준)이므로 이러한 영향을 당장 검증하기는 힘들다.

2. 자기 모멘트를 갖고 있는 중성미자

전자나 양성자 등 많은 기본입자들은 자석과 비슷한 성질인 자기 모멘트를 갖고 있다. 하지만 표준모형에서 중성미자는 이러한 자기 모멘트를 갖고 있지 않는 것으로 여겨졌다. 만약 중성미자가 자기모멘트를 갖고 있다면 XENON1T에서 발견한 신호와 비슷한 효과를 줄 것이다.

3. 암흑물질 '액시온'

액시온은 암흑물질 후보 중의 하나로 태양에서 핵융합을 할 때 함께 생성 될 수 있다. 이때 태양에서 나온 액시온이 검출기를 지날 때 제논의 전자와 반응하여 해당되는 신호를 줄 수 있다.

다만, 2와 3의 경우에는 천체 관측을 통한 결과와는 다소 상반되는 가설이다. 태양에서 액시온이 방출된다면 다른 별들에서도 마찬가지로 방출 될 수 있다는 것인데, 그렇게 되면 에너지를 너무 빨리 잃어서 일부 별들이 너무 빨리 식어버리게 된다. 이는 현재 관측된 결과와는 다르다. 중성미자도 마찬가지이다.

그림 [2]는 위에서 설명한 가설들과 측정된 신호를 비교한 것이다. 위의 가설이 없을 때보다는 측정된 신호를 더 잘 설명하는 것으로 보인다. 현재는 액시온일 것이라는 가설이 통계적으로 3.5 sigma로 가장 높지만 중성미자나 삼중수소도 3.2 sigma로 무시할 수 없는 수준이다. 또한 3 sigma 정도의 신호는 비교적 자주 관측되므로 더욱 정밀한 실험을 기다려 보아야한다.

코로나 바이러스 여파로 다소 지연이 될 수도 있지만 XENON1T의 후속 실험인 XENONnT 실험이 올해 말부터 예정되어있다. XENONnT는 XENON1T에 비해 약 3배 정도 많은 제논을 사용하고 배경 잡음도 더 줄일 것이다. 연구진은 몇 달간의 추가 실험을 통해 현재 측정된 시그널의 원인을 찾을 수 있을 것으로 기대하고 있다.

통계적인 영향으로 그친다면 다소 싱겁겠지만, 어느 가설이 맞건 간에 앞으로의 실험과 이론에 큰 도움을 줄 것이다. 1의 가설이 맞다면 우리가 검출기를 설계하고 데이터를 분석할 때 고려해야할 배경 잡음에 대해 하나 더 알게 된 것이고, 2 또는 3이 맞다면 수많은 물리학자들이 찾아헤멘 표준 모형 너머의 새로운 물리를 발견하게 되는 것이다. 후속 실험의 결과가 기대되는 이유이다.