내가 큰 발견을했다고 확신하는 99.81 %라고 말하면, 샴페인을 깨뜨릴 시간이라고 제안 할 수 있습니다. 이 발견이 과학에서 가장 큰 뛰어난 문제 중 하나를 해결하고 아마도 스톡홀름 티켓을 노벨상을 수상 할 수 있다고 말하면, 내가 찾을 수있는 최고의 샴페인의 사례를 주문하고 수락 연설을 시작하는 것이 좋습니다. 결국, 99.81 % 확실성은 꽤 좋습니다. 대부분의 연구 분야에서 "통계적 중요성"에 사용되는 기준 인 95 % 이상입니다.
그러나 대부분의 물리학 자들은 내가 남은 .19 %의 불확실성을 조금 더 제거 할 때까지 거품을 막으라고 말할 것입니다. 얼마나 더? 글쎄, 간단한 대답은“거의 모든 것”입니다.
암흑 물질은 대부분의 우주 미사를 설명하고 전체 역사를 형성 한 수수께끼의 물질로, 우리는 말 그대로 그것 없이는 여기에 있지 않을 것입니다. 그러나 수년간의 암흑 물질 입자를 찾는 것은 많은 물리학 자들의 강렬한 좌절에 그 물건이 어떻게 생겼는지 전혀 몰랐습니다. 그것을 발견하고 그 속성을 아는 것은 우주가 현재의 상태에 어떻게 도달했는지에 대한 많은 세부 사항을 채우는 데 도움이 될 수 있습니다.
따라서 과학자들은 과학자들이 99.81 %가 우연히 발생하지 않았다는 잠재적 인 암흑 물질의 시력에 대한 최근 발표에 대해 매우 흥분 할 것이라고 생각할 것입니다. 불행히도, 목격을 한 사람들에게는 물리학에서 발견하고 특히 암흑 물질을 가진 사람들에게는 매우 복잡한 것으로 판명됩니다.
무두질 힌트
암흑 물질은 이름이 검은 색이 아니라 볼 수 없기 때문에 그 이름을 집어 들었습니다. 천문학 자들은 은하를 회전시키고 거대한 클러스터로 그들을 모으는 데 필요한 중력을 생성하기에 충분하지 않다고 계산했을 때 퍼즐은 나타났습니다. 그들은 우리가 여분의 중력을 생산하는 것을 볼 수없는 문제가 있어야한다고 가정했다. 눈에 잘 띄지 않기 때문에 빛이나 다른 형태의 방사선과 상호 작용하지 않는다는 것을 알고 있습니다. 사실, 그것은 일반적인 문제와 크게 상호 작용할 수 없거나 지금까지 탐지기에 슬램을 보았을 것입니다. 그러나 그것은 중력을 만들어 내고, 그 중력 풀은 빅뱅 직후 이후 우주의 진화에 영향을 미쳤다. 그 당시 원자가 존재하기에는 상황이 너무 뜨거웠 기 때문에 과학자들은 암흑 물질이 입자 여야한다고 결정했고, 닉네임을 주었다.
WIMP가 빛이나 다른 입자와 상호 작용하지 않으면 어떻게 감지 할 수 있습니까? Dark Matter의 행동에 대한 일부 모델에 따르면, 전체 "일반적인 물질과 상호 작용하지 않는다"는 아이디어 전체는 근사치 일뿐입니다. 매우 드물게, 암흑 물질 입자는 정상적인 물질과 매우 약한 상호 작용을 가질 수 있습니다. 암흑 물질 입자는 때때로 원자 중 하나에 부드러운 멍청이를 줄 수 있습니다. 많은 팀 이이 매우 저에너지 누르지에 민감한 전문 탐지기를 구축했습니다.
그 팀 중 하나는 Super Croogenic Dark Matter Search (SuperCDM)입니다. 그들은 지구의 표면에 폭격 할 모든 에너지에서 멀어지게하기 위해 광산에 깊은 매우 민감한 탐지기를 붙 잡았습니다. 하드웨어는 절대 제로 근처까지 차가워서 탐지기 자체의 원자의 진동이 잘못된 신호를 생성하지 않도록했습니다. 이 팀은 광산 벽에있는 원자의 방사성 붕괴로부터 여과 된 길 잃은 전자와 중성자를 식별하는 법을 배웠습니다. 그런 다음 그들은 몇 년 동안 기다렸습니다.
그 당시, 그들은 암흑 물질 입자의 영향처럼 보이는 세 가지 사건 [PDF]을 집어 들었습니다. 그러나 그들의 계산에 따르면 전혀 보지 말아야했으며 장비의 임의의 소음으로 인한 세 가지 이벤트가 .19 % 일 가능성이 있다고 말했다. (연구자들은 3 가지 영향을 볼 수있는 5 %의 확률을보고했으며, 3 개의 영향이 서로 밀접하게 뭉쳐 질 확률이 .19 %에 달했다.) 꽤 흥미 진진한가?
.확실성에 도달
불행히도, 물리학 자들은 과거에 약 99 %의 확실성이 잘못되었습니다. 그들은 더 많은 데이터가 들어 왔을 때 단순히 사라졌습니다. 이러한 확실성은 표준 편차라는 통계적 측정, σ 또는 Sigma로 표현할 수 있습니다. 입자 물리학의 규칙에 따라 발견을 알리려면 발견이 5 시그마가되어야합니다. 실제 신호가없는 경우 비슷한 결과를 보는 것의 0.0001 %만이 있으며, 연구원들은 무작위 노이즈 모음을보고있었습니다.
.SuperCDMS의 99.8 % 확실성은 약 3 개의 시그마입니다.
그리고 결정적으로, 그 가치는 팀이 모든 것을 올바르게했다고 가정합니다. 최근의 케이블 연결이 느슨한 케이블 연결로 인해 중성미자라는 일부 입자가 빛의 속도보다 빠르게 움직이는 것처럼 보이는 경우에 따라 보장되지는 않습니다. 이러한 종류의 하드웨어 오류는 이론적 근거에서 길을 잃을 가능성에 의해 결합됩니다. 결과를 얻으려면 저자는 방사능 붕괴, 길 잃은 전자 등의 모든 유형의 잠재적 노이즈가 검출기에서 어떻게 보일지, 얼마나 자주 볼 수 있는지에 대한 모델을 만들어야했습니다.
SuperCDM의 팀은 매우 똑똑한 사람들로 가득 차 있지만,이 과정에는 여러 가지 가정과 근사치가 포함됩니다. 항상 하나의 복잡한 요소를 생각하지 않았을 가능성이 있습니다. 신호가 강해질 때까지 이러한 가정은 나머지 물리 커뮤니티가 데이터를 열심히보고 정확하고 중요한지 확인하기에 충분히 중요하지 않을 것입니다.
교차 신호
SuperCDMS의 결과는 한 가지 점에서 좋은 모양입니다. 광산 샤프트를 가로 질러 Cogent라는 별도의 암흑 물질 탐지기가 있으며, 2.8 시그마에 도달하는 신호를보고 있다고보고했습니다. 비판적으로, 두 검출기는 입자의 질량에 대략 동의합니다. 에너지가 지적한 바와 같이 (아인슈타인이 지적했듯이, 입자의 에너지와 질량은 직접 연결되어 있음), Cogent는 질량이 7 개의 Gigaelectronvolts를 가진 암흑 물질 입자를 본다. SuperCDMS 입자는 약 8.6 GEV에 무게가있는 것으로 보입니다. 그것은 동일하지는 않지만 두 탐지기가 같은 것을 볼 수있을 정도로 가깝습니다.
Dama/Libra라는 이탈리아에 기반을 둔 탐지기에 의해 유사한 질량이 제안되었습니다. 완전히 다른 기술을 사용하여 매년 봄마다 지구의 궤도를 반영하는 입자 탐지의 계절적 변화가 나타납니다.
.좋은 소식입니다. 나쁜 소식은 Xenon-100이라는 다른 탐지기가 이것을 완전히 배제하는 것처럼 보인다는 것입니다. 그리고 그것이 상황이 혼란스러워지는 곳입니다. Cogent 팀은 Xenon-100이 실제로 사물을 완전히 배제했다고 생각하지 않습니다. Xenon-100 팀은 끔찍한 결과를 믿지 않습니다. CDMS 연구원들은 대부분 토론에서 벗어났습니다. 그리고 Dama/Libra 결과를 신뢰하는 사람은 아무도 없습니다. 탐지기 뒤에있는 팀이 실험 세부 사항에 대해 간단했기 때문입니다.
.관련 데이터가있는 공간에는 실험이 있지만, 일을 더 명확하게 만들지는 않습니다. 암흑 물질 입자는 때때로 스스로 충돌하여 잔해에 활기찬 반격을 남길 수 있다고 생각됩니다. Pamela라는 위성 기반 탐지기는 처음에는이 안티 산종의 증거를 생성하는 것처럼 보였지만 더 많은 데이터를 수집 한 후 신호가 사라졌습니다 (어쨌든 입자는 8GEV보다 훨씬 무거웠습니다). Fermi 우주 기반 망원경에도 같은 일이 일어 났는데, 더 많은 데이터가 들어 왔을 때 130GeV 입자의 증거가 배경으로 희미 해졌습니다. 한편, 국제 우주 정거장의 입자 탐지기는 많은 안티 산방을 보았지만 그 안에 암흑 물질 신호가 보이지 않았습니다.
.이 모든 모순 된 결과가 당신을 약간 혼란스럽게한다면 걱정하지 마십시오. 아마도 많은 물리학 자들을 혼동 할 수 있습니다. 궁극적으로, 모든 암흑 물질 발견은 대부분의 사람들에게서 이해해야합니다. 각 실험은 자체 불확실성뿐만 아니라 현장의 불확실성을 다루어야합니다.
증거는 이론 에 직면한다
암흑 물질은 우주의 진화에 영향을 미치기 때문에 우주 자체는 우리의 실험이 올바른 길에 있는지 여부를 알려줄 수 있습니다. Cogent 및 SuperCDMS (약 8GEV)가 보이는 영역에 질량이있는 입자는 W, Z 및 Higgs와 같은 입자의 질량보다 약 10 배 작기 때문에 "가벼운"입자로 간주됩니다. 그리고 과학자들은 또한 가벼운 암흑 물질 입자를 싫어해야 할 많은 이유가 있습니다.
이들 중 일부는 단순히 실용적입니다. 가벼운 입자는 검출기에서 더 작은 신호를 생성하여 배경 노이즈와 쉽게 혼동 할 수있게합니다. 그러나 다른 사람들은 순전히 이론적입니다. 예를 들어, 우리가 알고있는 입자 이외의 입자를 설명하는 주요 후보를 초대칭이라고합니다. 초대칭 입자의 대부분은 불안정하지만 가장 가벼운 (“중성자”라고 불리는 중성미자의 사촌)는 안정적이어야하며 우수한 암흑 물질 입자가 될 것입니다. 그러나 중립선은 비교적 무겁을 것으로 예상됩니다. 물론 여전히 이론적입니다. 큰 Hadron Collider는 아직 신호의 힌트없이 중립을 찾기를 희망하는 공간을 빠르게 좁히고 있습니다.
우주 자체는 또한 우리에게 무겁게 생각하라고 말할 수 있습니다. 암흑 물질은 중력을 통해서만 상호 작용하지만, 이러한 상호 작용은 우주의 구조를 만들기에 충분했습니다. 그것이 효과가 있으려면, 암흑 물질은 중력이 그것을 붙잡을 정도로 천천히 움직여야합니다. 물리학 용어로서“차가워 야합니다”. 그러나 Wimps는 우주가 매우 뜨거웠을 때 빅뱅 직후에 매우 상호 작용을 중단했으며 그 이후로 그 열을 잃을 방법이 없었습니다. 이 명백한 모순은 입자가 방대한 경우 해결하기가 가장 쉽습니다. 많은 에너지를 운반하더라도 입자의 질량은 중력이 그것을 잡을 수있을 정도로 천천히 움직일 것임을 의미합니다.
실제로 이런 종류의 혼란을 어떻게 해결합니까? 대형 Hadron Collider와 같은 가속기를 통해 Particle Discovery 로의 전통적인 경로는 좋은 예를 제공합니다. 입자 탐지에 사용되는 모든 큰 가속기에는 서로 다른 기술을 사용하여 구축 된 두 개의 탐지기가 포함되어있어 하드웨어와 관련된 모든 독점이 제어됩니다. 물리학자가 둘 다를 사용하여 중요한 신호를 볼 때까지, 그들은 문제가 해결되지 않은 것으로 간주하는 경향이 있습니다. (예를 들어, Higgs Boson은 LHC에서 두 개의 다른 탐지기에 의해 발견되었습니다.) 그 태도는 암흑 물질로 이어질 가능성이 높으며, 많은 사람들이 우리가 해결하기 전에 두 개의 독립적 인 탐지기에 대한 발견의 징후를 기다리고 있습니다. 그들이 입자의 존재를 배제했다고 생각한 팀은 돌아가서 그들이 무엇을 잘못했는지 알아 내려고 노력할 것입니다. 천문학적 결과는 명백한 신호가없는 이유를 파악하기 위해 재분석 될 것입니다. 그리고 이론가들은 새로운 결과를 이해하기 위해 그들의 많은 모델 중 어느 것을 파악할 것입니다. 우주 학자들은 필요한 경우 더 가벼운 wimp 작업을 할 수있는 방법을 찾을 것입니다.
그러나 더 나은 증거가있을 때까지, 세 가지 시그마보다 훨씬 강한 신호, 적어도 하나의 다른 실험의 확인 및 다른 실험의 모순적인 증거에 대한 설명은 암흑 물질의 신비가 해결되었다고 결론을 내릴 수 없을 것 같습니다.
John Timmer는 의 과학 편집자입니다 Ars Technica . 또한 과학자들에게 Cornell Medical College, Stony Brook University 및 기타 기관에서 공개 및 서로 의사 소통하는 방법을 가르칩니다.
