이 실험은 우주선 입자의 전하량과 에너지, 운동량을 정밀하게 측정해 현대물리학의 근원적인 질문들인 암흑물질이나 무거운 반물질의 존재 여부, 특히 우주선의 성질과 함께 알려지지 않은 새로운 물리현상들을 탐색하는 실험이다. AMS 연구진은 검출기가 국제우주정거장에 처음 설치된 이후 지금까지 약 900억 개 이상의 우주선 입자들을 검출했고, 주요 연구결과들을 미국물리학회지인 ‘피지컬 리뷰 레터(Physical Review Letters)’에 발표해왔다.
암흑물질이 서로 충돌하면 여분의 양전자(전자의 반물질)와 반양성자(수소핵자의 반물질)를 생성할 것으로 예측되며, 이들의 에너지분포를 측정하면 암흑물질의 존재에 대한 정보를 얻을 수 있는 것.
국제우주정거장에서의 AMS실험이 측정한 양전자 선속이며, 수소질량보다 약 1000배인 암흑물질을 가정할 때의 생성되는 선속의 모형과 잘 일치하고 있음을 보여준다. (사진=경북대 제공)
이에 따르면 AMS 실험을 통해 양전자 선속 자체와 전자와 양전자 선속의 합에 대한 양전자 선속의 상대적인 비율, 또한 반양성자 대 양성자 선속비를 측정한 결과, 암흑물질의 존재를 가정한 모형과 측정결과 자료가 일치하는 것을 알아냈다. 특히, 양전자 선속은 암흑물질의 질량이 약 1TeV(수소입자 질량의 약 천배)인 경우를 가정한 모형으로 예측하는 바와 일치해 암흑물질 존재 단서로 학계의 관심이 높을 것으로 기대된다.
AMS 실험이 국제우주정거장의 내구연한(2024년)까지 실험을 계속 진행될 경우 암흑물질 연구에 중요한 기여를 할 수 있을 것으로 보고있다.
AMS 실험은 우주선을 이루고 있는 다양한 핵자들에 관한 연구도 수행하고 있다. 1차 우주선이라고 불리는 헬륨과 탄소, 산소는 초신성폭발로 인해 직접 생성되며, 2차 우주선이라고 하는 리튬과 베릴륨, 붕소의 경우, 1차 우주선이 성간물질과 상호작용하여 생성되는 것으로 알려져 있다. AMS 연구진은 이들 1차 및 2차 우주선 입자들에 대한 이전 실험보다 훨씬 새로운 정밀한 측정 결과를 정리해 발표했으며, 일부 결과들은 이론적으로 새로운 설명이 필요한 것으로 밝혀져 학계에 관심을 일으킬 것으로 보인다. 아울러 AMS 연구진은 특히 베릴륨 동위원소들의 선속을 측정해 은하 내 우주선입자의 나이가 평균적으로 약 1200만년임을 밝혀냈다.
우주의 반물질의 존재여부에 대한 연구도 수행하고 있는데, 빅뱅 이론은 우주 초기에 반물질과 물질이 동일한 양이 존재했을 것이라고 가정하고 있다. 현재 우리 주변에서는 반물질을 쉽게 찾아볼 수 없다. 따라서 물리학자들은 이를 이해하기 위한 여러 가지 노력들을 해왔고 우주공간에서 무거운 반물질을 하나라도 찾아내는 것은 그 자체로 매우 중요한 일일 것이라 여겨져 왔다. 하지만 AMS 연구진은 현재 국제우주정거장에서 대략 1년에 한 개 꼴로 무거운 반입자 후보를 검출하고 있으며, 앞으로 이에 대해 더 심도 있는 연구를 진행하겠다고 밝혔다.
AMS 실험은 1976년 노벨 물리학상 수상자인 새뮤얼 팅 교수를 중심으로 미국, 독일, 이탈리아, 프랑스, 대한민국 등 연구자 200여명이 참여하고 있다. 우리나라에서는 손동철 경북대 교수를 비롯해 경북대, 이화여대가 1996년부터 AMS 국제공동연구진으로 참여하고 있다. 초전도자석의 온도조절장치 및 전원분배장치, 천이방사선검출기 개발을 수행했다. AMS 검출기가 국제우주정거장에 설치된 이후 경북대에서는 실험 자료를 분석하며 연구를 수행하고 있다. 이 연구는 정부와 한국연구재단의 우수연구센터사업과 도약연구사업에 의해 지원됐다.
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