암흑물질은 우주의 물질 중 약 27%를 차지하는 보이지 않는 물질로, 그 존재가 간접적으로 추론되어집니다. 암흑물질은 일반적인 물질과 거의 상호작용하지 않지만 중력적인 영향으로 우주에 있는 은하와 은하단의 구조 및 진화에 중요한 역할을 합니다. 암흑물질은 그 자체로 빛을 발하지 않고, 일반적인 물질과의 상호작용이 매우 적기 때문에 감지하기 어렵습니다.
암흑물질의 존재는 은하와 은하단의 중력적 행동을 통해 확인됩니다. 이러한 대규모 구조물들은 암흑물질이 없으면 그들의 중력적 안정성을 유지할 수 없습니다. 예를 들어, 은하의 회전 곡선은 눈에 띄게 않은 질량이 있음을 시사하는데, 이것이 바로 암흑물질로 추정됩니다. 또한 은하단의 중력 렌즈 효과와 코스믹 마이크로웨이브 배경(CMB)의 온도 플럭투에이션 등 다양한 천문학적 증거로부터 암흑물질의 존재가 뒷받침됩니다.
암흑물질의 정체는 여전히 미스터리입니다. 가장 유력한 후보 중 하나는 '약한 상호작용하는 대량 입자'(WIMP, Weakly Interacting Massive Particles)입니다. WIMPs는 약한 핵력과 중력 작용 외에는 다른 입자와 상호작용하지 않는 것으로 추정되며, 대부분의 암흑물질을 구성하는 것으로 생각됩니다.
다른 가능한 암흑물질 후보로는 축소된 중성소(axions)와 중성 까만 입자(sterile neutrinos)가 있습니다. 이들 입자는 각각 아주 작은 질량과 약한 상호작용을 가진 것으로 예측되며, 실험적 검증이 진행되고 있습니다.
암흑물질을 직접 탐지하려는 실험들이 전 세계적으로 진행되고 있습니다. 이러한 실험들은 지하실험실에서 이뤄지며, WIMPs와 축소된 중성소와 같은 암흑물질 후보 입자가 일반 물질과 상호작용할 때 발생하는 신호를 감지하려고 합니다. 암흑물질 탐지 실험은 세 가지 주요 유형으로 나뉩니다.
직접 탐지 실험: 이 실험들은 암흑물질 입자가 탐지기 내의 원자와 충돌할 때 발생하는 약한 신호를 감지하려고 합니다. 대표적인 예로는 XENON, LUX, LZ 등의 실험들이 있습니다.
간접 탐지 실험: 이 실험들은 암흑물질 입자가 우주에서 상호작용하거나 서로 충돌하여 일반 물질로 붕괴되는 과정에서 발생하는 고에너지 입자를 탐지합니다. 예를 들어, 감마선, 중성자, 안티프로톤 등의 입자를 찾습니다. 대표적인 예로는 AMS-02, Fermi-LAT 등의 실험들이 있습니다.
입자 가속기 실험: 이 실험들은 지구에서 가속된 입자들을 서로 충돌시켜 암흑물질 입자를 생성하고, 이를 간접적으로 탐지하려고 합니다. 유럽 입자물리 연구소(CERN)의 대형 하드론 충돌기(LHC)가 대표적인 예입니다.
암흑물질은 우주의 구조와 진화에 근본적인 영향을 미치므로, 암흑물질의 정체를 밝혀내는 것은 현대 천문학과 물리학의 중요한 목표 중 하나입니다. 암흑물질에 대한 이해가 향상되면 우주의 기원과 진화에 대한 지식도 향상되며, 더욱 정교한 우주론 모델을 만드는 데 도움이 될 것입니다. 이렇게 암흑물질 연구는 우주의 비밀을 풀어가는 데 중요한 역할을 하고 있습니다.
