매초마다 입자가 거의 빛의 속도로 몸을 통과합니다. 강력한 유형의 성간 물질인 우주선이 끊임없이 지구 대기의 원자를 공격하는 하늘의 폭풍우에서 비가 내립니다. 충격은 땅에 쏟아지는 입자 소나기로 분리됩니다.
과학자들은 이러한 우주 폭풍을 100년 넘게 연구해 왔지만 그것이 어떻게 형성되는지에 대한 정확한 이해가 부족합니다. 많은 연구자들은 더 선명한 그림을 찾고 있으며 이를 연구하기 위해 하늘을 볼 필요조차 없습니다. 대신 스위스 CERN의 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)라는 입자 충돌기를 사용할 수 있습니다.
저는 입자물리학자 팀과 함께 이러한 우주 폭풍이 어떻게 탄생하는지 연구합니다. 우리는 실험실에서 우주선을 시뮬레이션하기 위해 세계 최초로 산소 원자와 양성자의 실험실 충돌을 사용합니다. 우리의 결과는 이제 Physical Review Letters에 게시되었습니다.
제시 리우CC BY
우주선이란 무엇입니까?
20세기 초, 물리학자 빅터 헤스(Victor Hess)는 열기구를 타고 우주선을 발견했습니다. 수 킬로미터를 상승하면서 장비는 방사선 수준이 예기치 않게 계속 상승하는 것을 발견했습니다. 그는 이 광선이 우주에서 와야 한다고 추론했고, 이 발견으로 1936년에 노벨 물리학상을 받았습니다.
놀라움은 여기서 끝나지 않았습니다. 나중에 실험을 통해 이 우주 방사선에는 반물질이라는 새로운 유형의 물질이 포함되어 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 이러한 새로운 유형의 물질에는 뮤온, 파이온 및 카온이 포함되었습니다. 이러한 입자는 원자 내부의 전자, 양성자, 중성자와 유사하지만 일시적으로 존재하며 보기가 더 어렵습니다. 이러한 물질의 구성 요소는 현대 입자 물리학 이론을 완성하는 데 도움이 되었습니다.
오늘날 과학자들은 우주선이 빠르게 움직이는 핵, 즉 주로 수소로 이루어진 무거운 원자 중심이라는 것을 이해하고 있습니다. 그러나 질문은 여전히 열려 있습니다. 그들은 어디에서 왔는가? 그들은 어떻게 그렇게 높은 에너지에 도달합니까?
과학자들은 우주 광선이 우주의 매우 뜨겁고 먼 지역에서 발생한다는 단서를 발견하고 있습니다. 이 지역은 폭발하는 별과 초거대 블랙홀이라고 불리는 강력한 물체에 의해 방출됩니다.
NASA, ESA, CSA, STScI, T. Temim(프린스턴 대학교), CC BY
우주선은 다른 분야에서도 유용합니다. 1950년대에 과학자들은 이를 사용하여 고대 유물의 연대를 측정하여 고고학에 혁명을 일으킬 수 있음을 발견했습니다. 최근에는 우주 광선을 통해 지질학자들이 활화산의 숨겨진 방을 볼 수 있었고, 고고학자들은 이를 사용하여 고대 이집트 피라미드의 숨겨진 무덤을 찾아내고 있습니다. 이 이미징은 암석이 이러한 물체를 향해 날아가는 우주 입자를 어떻게 굴절시키는 지 측정하여 작동합니다.
우주 샤워는 어떻게 탄생합니까?
우주 폭풍을 연구하는 일반적인 방법은 지상 수 킬로미터 위에 수백 대의 특수 카메라를 배치하는 것입니다. 이 카메라들은 함께 단일 망원경 역할을 합니다. 가장 큰 프로젝트 중 하나는 유타주 고지대 사막의 망원경 어레이(Telescope Array) 프로젝트입니다. 이 실험은 우주에서 가장 높은 에너지 입자를 살펴봅니다.
지구에 쏟아지는 우주 물질에 대한 정보를 해독하려면 과학자들은 컴퓨터를 사용하여 공기 중의 입자 폭풍을 시뮬레이션해야 합니다. 그러나 오랜 문제가 있습니다. 입자 소나기가 하늘에 어떻게 형성되는지에 대한 예측은 컴퓨터 모델마다 다릅니다.
과학자들은 어떤 모델이 하늘에서의 실제 충돌을 설명하는지 알아야 합니다. 알아내려면 데이터가 필요합니다. 이러한 입자 소나기를 탄생시키는 이전 실험은 없었습니다. 그래서 저는 몇 년 동안 물리학자 Lydia Beresford와 협력하여 우주선을 연구하기 위해 CERN 입자 충돌기의 기존 장비를 재구성하는 것을 옹호해 왔습니다.
실험실에서 우주선을 재현하기 위한 산소빔
2025년 7월 1일, CERN 과학자들이 이 실험을 개척했습니다. 그들은 세계에서 가장 강력한 입자 가속기인 대형 강입자 충돌기를 사용하여 처음으로 산소 원자가 양성자와 충돌하도록 만들었습니다. 며칠 동안 그들은 실험실에서 우주 폭풍을 재현했습니다.
막시밀리앙 브라이스/CERN, CC BY
이 새로운 실험에서 양성자빔은 우주선의 역할을 한 반면, 산소빔은 지구 대기의 역할을 했습니다. 각 충돌의 에너지는 입자 제트가 되어 우주 폭풍의 첫 순간을 재현했습니다.
대형 하드론 충돌기(Large Hardron Collider)에서는 여러 개의 입자 카메라가 충돌 사진을 찍습니다. 제가 일하는 이 방 중 하나는 ATLAS 실험이라고 합니다. 이 거대한 장비는 수천 명의 과학자가 함께 작동하여 작동하는 축구장 크기입니다.
ATLAS의 핵심인 고속 카메라는 하루에 2억 장 이상의 사진을 촬영할 수 있습니다. 다양한 실리콘 센서를 사용하여 휴대전화의 카메라 센서와 유사한 입자의 클로즈업 초상화를 찍습니다.
우주 폭풍의 최초 근접 사진
소규모 물리학자 팀과 함께 우리는 이러한 이미지를 분석하고 사진을 사용하여 충돌로 생성된 입자 수와 충돌로 인해 생성된 입자의 수를 측정했습니다. 우리는 컴퓨터 모델이 예측한 것보다 10배 이상 더 정확하게 이러한 입자의 특성을 측정할 수 있었습니다.
CERN/ATLAS 협력, CC BY
우리의 결과는 더 무거운 원자와 비교하여 얼마나 많은 고에너지 우주선이 수소로 만들어졌는지 결정하는 데 도움이 될 것입니다. 그 구성을 이해하면 그 기원에 대한 중요한 단서를 얻을 수 있습니다. 이런 귀중한 자료를 공유하게 되어 기뻤습니다. 그래서 우리는 즉시 ATLAS 협력 전문가로부터 피드백을 구한 후 결과를 공개하라는 승인을 받았습니다.
우리의 연구는 입자물리학과 고에너지 천체물리학 사이의 연관성을 새롭게 합니다. 두 분야 모두 중복되고 공유되는 역사가 많지만, 여전히 서로 다른 분야이고, 서로 협력하면서 배울 점이 많습니다. 나와 동료들은 이러한 결과가 과학자들의 우주 폭풍에 대한 이해를 향상시키고 우주의 가장 극단적인 사건을 해결하는 데 도움이 되기를 바랍니다.
