餘分D: physics and fun

AMS-02 results on positron fraction

ExtraD — Wed, 03 Apr 2013 17:01:27 GMT

AMS(The Alpha Magnetic Spectrometer) 공동 연구팀을 대표해서, Sam Ting (J/ψ (J/Psi) meson 발견자, 1976년 노벨상 수상자이자 AMS PI) 교수님께서 조금전 CERN 대강당에서 인터넷을 통해 전 세계로 중계되는 세미나 발표를 하셨습니다. 여유로운 말투, 실험 결과에 대한 확신, 중요성에 대한 확고한 믿음이 전달된 대단히 인상적인 강연이었고, 그 결과 또한 대단히 흥미로운 것이어서 소개하고자 합니다. 아래 모든 자료는 팅 교수님의 세미나 슬라이드를 캡쳐한 것입니다.

AMS는 국제우주정거장(ISS)의 외부에 장착된 디텍터를 이용하여 전하를 가진 고에너지 입자 (전자, 반전자, 양성자, 반양성자 등)와 감마선의 Flux를 정밀하게 측정하여 이로부터 암흑물질의 증거를 포착하려는 목표를 가지고 있습니다. 암흑물질은 쌍소멸 혹은 붕괴 과정에서 이들 입자를 직접 내놓거나 혹은 2차 붕괴 부산물로 내놓을 것으로 이론가들이 오래 전부터 예측하고 있어왔고, 실제로 최근의 여러 실험들 (PAMELA, FERMI, AMS-1, HEAT ..)등을 통해 그 실체가 드러나기 시작했습니다.

이번 발표에서 특히 주목한 물리량은 소위 positron fraction. 즉, 반전자 플럭스와 전자와 반전자 플럭스의 합의 비율입니다.

$$\frac{\phi(e^+)}{\phi(e^-+e^+)}$$

대부분의 천체물리학적 과정에서 전자는 다수 만들어 질 수 있으나, 고에너지 반전자는 오직 특별한 과정, 특히 암흑물질 쌍소명 과정 등을 통해 만들어 질 것으로 생각되며 따라서 고에너지 영역에서 positron fraction은 서서히 증가하다가 어느 이상 에너지에서 급격하게 감소하는 "sudden drop"의 형태를 띌 것으로 예상됩니다.

그리고 아래는 PRL을 통해 조만간 발표될 AMS-2의 결과입니다. 빨간색 점들이 새로운 데이터 입니다.

현재 "완전하게 확실한" 데이터는 분명한 증가 패턴을 보여줍니다. 이건 분명합니다. 하지만, 암흑물질의 증거가 되기 위해선 반드시 어느 에너지 영역에서 뚝 떨어지는 패턴을 추가적으로 보여주어야 하며, 바로 그 점이 암흑물질의 질량이 될 것이기 때문에 엄청나게 중요하다고 할 수 있을 것입니다. 더 높은 에너지 영역의 데이터를 이미 AMS 팀은 가지고 있으나, 팅 교수님은 이 실험이 너무나 어려운 실험이고, 본인은 평생 단 한번의 실험적 실수를 한 적이 없는 만큼 충분히 확신을 가질 때까지 기다려 달라고 합니다. 만약 AMS-2가 이 "sudden drop"을 확인하게 된다면, 분명 중요한 발견으로 인정받게 될 것인 만큼 신중에 신중을 기한다는 인상입니다.

흥분되고, 저도 후속 발표를 기다립니다. (앞으로 20년간 죽~!)

...

팅 교수님의 강연은 개인적으론 두번째 보는 건데요, 정말 대단하시네요.

***추가 자료***

1. First result from the AMS experiment at CERN Press Office

2. Phys. Rev. Lett. 110, 141102 (2013): First Result from the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station: Precision Measurement of the Positron Fraction in Primary Cosmic Rays of 0.5–350 GeV

3. Viewpoint: Positrons Galore APS.

tag : 암흑물질, darkmatter, 물리학자, AMS, positron

Planck new data release

ExtraD — Thu, 21 Mar 2013 23:28:14 GMT

어제 드디어 Planck에서 데이터를 발표했습니다: Planck 2013 Results Papers

Planck는 European Space Agency (ESA)의 인공위성 베이스 관측실험으로 우주배경복사의 정밀한 관측을 위해 2009년 론치되어 지난 4년간 데이터를 축적해왔으며, COBE-WMAP을 잇는 초정밀 우주론 관측 시대를 이어가는 실험으로 관심을 모아왔습니다.

우주배경복사(Cosmic Microwave Background Radiation: CMBR)는 빅뱅이후 우주팽창에 따라 우주의 온도가 떨어져, 대략 원자가 생성되는 온도에 도달했을 무렵의 '우주가 아기였을 때 모습'을 보여줍니다. 과학자들은 이를 통해 우주 팽창과 구조생성에 대한 가장 정확한 정보를 얻을 수 있습니다.

아래는 차례대로 COBE(1992)-WMAP(2003)-Planck(2013)에서 얻은 CMBR 사진입니다. 확실한 발전을 확인할 수 있고, 이 발전을 통해 그대로 우주에 대해 더 정밀한 정보를 얻을 수 있게됩니다.

위 사진을 angular power spectrum을 통해 분석한 결과는 아래와 같은데 소위 Lambda-CDM 모형 (즉, 우주상수와 Cold Dark Matter가 포함된 빅뱅우주모형)의 이론치(실선)와 엄청난 정밀도로 일치하는 것을 확인할 수 있습니다. 낮은 "$\ell$"쪽은 더 넓은 영역에 대한 것이므로 데이터 수가 작을 수 밖에 없고 따라서 error-bar가 큽니다만 높은 쪽은 정말 놀라울 따름입니다.

개인적으론 인플레이션에 대한 아래 플롯이 특히 흥미롭습니다. 인플레이션 모형들이 관측결과와 비교를 통해 검증되기 시작했다는 것이 이론가들에게 일할 거리를 만들어 주고 있어요. $V=\lambda \phi^4$는 이제 더 이상 보이지 않고, $V=m^2 \phi^2$도 더 이상 훌륭하다고 말하기 힘들어졌습니다.

우주가 단열팽창했으며 Dark Radiation (제4의 중성미자)이 없다는 등 보다 단순한 '표준우주모형'이 우주를 잘 설명한다는 것이 어떻게 보면 지루하긴 하지만 아무튼 대단해요!

새로 나온 데이터에 기반한 우주의 'parameter'는 아래와 같습니다. (Planck+WP)

\begin{eqnarray}
\text{Age/Gyr} =13.817\pm 0.048\\
\Omega_\Lambda =0.685^{+0.018}_{-0.016}\\
\Omega_M=0.315^{+0.016}_{-0.018}\\
n_s=0.9603\pm 0.0073 \\
r<0.11 (95\% {\rm CL})\\
f^{local}_{NL}=2.7\pm 5.8
\end{eqnarray}

제 inflation 이론도 있는데, 새 Planck data와 잘 맞아서 기분이 좋아요. ^^
제가 2008년 사토시 야마구치 교수(현 오사카대학교 교수)와 연구했던 non-minimal inflation 이론에서 예측했던 값은 아래와 같습니다. arXiv:0801.1722

\begin{eqnarray}
n_s \approx 0.965\\
r \approx 0.004
\end{eqnarray}

**관련 글 읽기

플랑크: 최초의 빛

tag : Planck, WMAP, CBMR, Inflation

Moriond "힉스" 업데이트

ExtraD — Mon, 11 Mar 2013 10:34:09 GMT

지난주 Moriond 연례회의 (The XLVIIIth Rencontres de Moriond session devoted to ELECTROWEAK INTERACTIONS AND UNIFIED THEORIES)에서 `힉스입자'의 여러 채널에 대한 업데이트가 있었습니다. 저는 KEK 이론회의 참석차 일본에 있었는데요, 학회에 참석한 많은 분들과 마찬가지로 Moriond의 수요일 오전 발표 (일본시간=한국시간으론 오후 4시 발표)를 기다리고 있었습니다.

발표 결과를 요약하면

1. ATLAS의 쌍둥이 피크(Twin Peaks)는 그대로 (2.5 GeV 차이), diphoton enhancement는 center value가 1.8에서 1.6으로 줄었으나, error bar도 함께 줄어서(0.3) 여전히 significant ($2\sigma$)

\begin{eqnarray}
m_H = 125.4\pm 0.2 ({\rm stat}) ^{+0.5}_{-0.6}({\rm sys}) ~{\rm GeV} \quad \text{ATLAS, all, Moriond},\\
\Delta \hat{m}_H =\hat{m}_H^{\gamma\gamma}-\hat{m}_H^{4\ell}=2.3^{+0.6}_{-0.7} ({\rm stat}) \pm 0.6 ({\rm sys}) ~{\rm GeV} \quad \text{ATLAS, Moriond}
\end{eqnarray}

2. 불행히도 CMS는 가장 관심을 끌 던 diphoton channel 업데이트가 없었으나, 아마도 이번주 혹은 다음 주 내로 발표가 있을 예정이라고 합니다. 하지만 WW,ZZ,tau tau 채널 등은 8TeV 데이터의 최종 업데이트가 있었고, 아래에서 보는 바와 같이 표준 모형의 예측 (1)과 대략 일치하는 경향이 확연하게 보입니다.

3. 개인적으론 새로운 'Higgs precision era'의 개막과 함께 새로운 물리학 가능성들에 대해 반성의 기회가 주어졌다는 것을 우선 중요하게 생각합니다. 우선 Higgsless 이론들은 대단히 어려워졌고 (what is the 125 GeV peak ?), 힉스 질량을 양자역학적 효과로 주는 이론들은 더욱 심한 constraints를 받게 되었고 (Gauge-Higgs unification, Little Higgs..), 힉스 입자의 생성률과 붕괴 Branching fraction을 심하게 바꾸는 이론들도 오직 높은 에너지에서만 가능할 것으로 생각됩니다 (Light top-partners in various models..).

4. 일본이 주축이 되어 국제선형가속기 (International Linear Collider, ILC) 쪽으로 많은 힘이 걸리고 있습니다. 차세대 가속기에서 보다 정밀하게 힉스의 성질을 탐구하고 또 Hadron 가속기에서 미쳐 담아내지 못하는 새로운 물리학의 가능성을 연구하는 것이 새로운 문제로 떠오르는 지금 미래의 연구 방향을 하나로 모으기 보다 더 큰 상상력을 발휘해야할 때가 아닌가 생각해봅니다. 물론 Fermi-LAT, PAMELA, AMS, Planck 등 새로운 데이터가 쏟아지는 우주선(cosmic ray) 분야에서 break-through가 나올 가능성도 크다고 봅니다.

5. LHC 14 TeV 가동에서 threshold를 넘어서자 새로운 물리학이 쏟아져 나오는 상상은 즐겁지만, 냉정하게 그리고 대자연앞에 겸손하게 한발한발 걸어나가야 할 때라는 생각을 더 하게 됩니다.

---References----

1. ATLAS conference note
2. CMS conference report

tag : LHC, physics, higgs

입자물리학자가 본 2012년 물리학 발견 하이라이트

ExtraD — Tue, 01 Jan 2013 00:15:04 GMT

열심히도 달려온 2012년을 뒤로하고 지구는 2013년의 공전을 시작했습니다. 물론 태양계의 8중(9중?) 나선 운동을 생각해보면 지구의 1월1일은 참으로 별 의미없는 날이지만, 계절에 적응해서 살고 있는 인류에겐 중요한 날입니다.

2012년 인류는 우주의 어떤 새로운 모습을 배웠을까요? (Jester와 비교해 보시는 것도 재밌을 것 같아요.)

유럽의 힉스 입자 발견 (LHC: CMS & ATLAS): 2012년 7월4일 CERN에서 125GeV의 질량을 가진 보존(boson)입자가 두개의 포톤 혹은 4개의 랩톤으로 붕괴하는 증거를 발견 (5 sigma) 하였다고 발표했습니다. 이후 더 많은 데이터가 쌓여서 두개의 tau 입자로의 붕괴, W-입자쌍으로의 붕괴 (한쪽은 virtual)도 발견되었습니다. 이는 모두 표준모형이 예측했던 힉스입자의 그것과 정확히 일치합니다. 하지만 최근 ATLAS에서 포톤으로 붕괴하는 채널에서 측정해낸 질량이 126GeV 근처, 4개의 랩톤으로 붕괴하는 채널에서 측정해낸 질량이 123GeV 근처라는 흥미로운 보고가 있었고 (힉스가 두개?), 두개의 포톤으로 가는 확률이 표준모형의 그것과 비교해 대략 1.5배 이상 크다는 초기 결과가 이어지고 있어 이후의 실험 업데이트가 기대되는 상황입니다. CERN은 위치는 유럽에 있지만 실상 한국팀을 비롯한 전세계의 물리학자들이 함께 일하고 있으니, 힉스 입자의 발견을 굳이 유럽의 발견으로 볼 수는 없다는 개인적인 생각을 보탭니다. LHC는 2013년 3월에 8TeV 데이터가 전격적으로 업데이트되고 이후 2년 정도 긴 휴식에 들어갑니다.

동양 3국의 중성미자 섞임 각도의 완전한 측정 (Daya bay, RENO, T2K): 중국(Daya Bay)와 한국 (RENO) 그리고 일본(T2K)는 소위 theta-1-3이라 불리는 중성미자의 섞임 각도를 측정했습니다. (보고있나 미국! 유럽!) 이 각도는 중성미자 섞임 각도중 유일하게 측정되지 못했던 것으로 이전 이론학자들은 이 각도가 0이 아닐까 예상을 하기도 했었지만, 물론 틀렸죠. 중성미자의 맛깔이 3종류라고 할 때 3개의 섞임 각도가 모두 0이 아님이 밝혀짐에 따라서, 마치 쿼크의 섞임 각도에서도 나타난 것 처럼 CP-대칭성의 붕괴가 랩톤 섹터에도 있을 가능성이 매우 커졌고, 이를 밝혀내는 것이 다음번 '노벨상 예약 실험'이 되지 않을까 생각해봅니다.

독일이 발견한 미국의 은하 중심에서 날아온 130GeV 포톤선 측정 (Weniger, Fermi-LAT): 이제 갓 박사학위를 딴 막스 플랑크 연구소의 베니거 (C. Weniger)라는 친구가 Fermi-LAT의 측정 데이터를 분석하다가 발견한 흥미로운 130GeV 라인이 이후 Fermi팀에 의해 확증되면서 (center value는 135 GeV로 살짝 옮겨감) 큰 흥미를 끌고 있는 상황입니다. 특히 이 포톤 신호가 은하중심에 모여있는 암흑물질의 쌍소멸 혹은 붕괴의 시그널일 가능성이 있는 만큼 이론학자들의 이목을 끌고 있습니다. 만약 시그널이 암흑물질의 신호로 판명되기까지는 더 기다려야겠지만, LHC에서 특별한 WIMP 타입의 입자가 발견되지 않은 상황에서 Decaying Dark Matter에 대해 더 신중하게 고려할 필요가 있다는 생각을 해봅니다.

유럽의 암흑에너지 재발견과 암흑빛(Dark Radiation)의 죽음 (WMAP 9): 우주배경복사의 정밀한 측정을 통해 우리우주의 가장 오래된 모습을 보여주는 WMAP 실험의 마지막 결과(WMAP 9-years-data)가 최근 발표되었습니다. (arXiv:1212.5225, 1212.5226) WMAP7과 비교해서 정밀도가 높아진 새로운 결과는 '정밀 우주론 시대'의 새로운 우주론 연구 방향을 보여주고 있습니다. 알려진 가장 정확한 우주의 '데이터'는 여기서 보실 수 있습니다.
LAMBDA-WMAP

특히 일부 인플레이션 우주모형을 실험 결과를 토대로 disfavor 시킬 수 있게 되었고,

WMAP7에서 제시하였던 빛과 중성미자를 제외한 제3의 빛 혹은 암흑빛(dark radiation)의 존재가 통계적 오류에 기인한 것이라는 강력한 증거를 WMAP9이 제시하였다는 것도 매우 기쁜(?) 일입니다. 다음 세대 우주론은 조만간 결과를 발표할 Planck와 함께!

저는 개인적으로 2012년 새로운 연구실을 꾸며 새로운 동료와 일하게 되어 바쁜 나날을 보냈습니다. 새해에는 어떤 즐거운 일들이 기다리고 있을까요?

tag : 물리학, LHC, WMAP, RENO, Higgs

힉스 어떻게 찾았을까?

ExtraD — Thu, 05 Jul 2012 11:25:57 GMT

힉스 입자 처럼 무거운 대부분의 기본입자들은 불안정하며 쉽게 붕괴해 버립니다. 따라서 힉스 입자의 존재를 알기 위해서는 힉스가 붕괴해서 생긴 '짜투리 입자들'을 찾아야하는 것이죠. 짜투리 입자의 종류를 "채널(channel)" 이라고 부릅니다.

실제로 어제 발표된 LHC 실험에서 가장 중요한 채널들은 바로 힉스 입자가 빛입자(photon) 쌍으로 붕괴하는 소위 two-gamma-channel (c1)과 4개의 경입자(lepton)으로 붕괴하는 four-lepton-channel(c2) 이었습니다. (왜 하필 이 채널들에 주목한 것일까요?)

좀 더 자세히 들여다 보면, c1은 힉스 입자와 가장 강력하게 상호작용할 수 있는 top-quark의 양자역학적 요동 덕분에 발생하며, c2는 약한핵력을 매개하는 스핀-1 게이지 입자인 Z-보존 쌍을 통해서 발생합니다. 아래 "파인만 도표"를 보세요. 꾸불꾸불한 선은 벡터 입자(포톤, W, Z 입자등), 화살표가 붙은 직선은 페르미입자 (쿼크와 랩톤) 그리고 점선은 스칼라 입자(힉스!)를 나타냅니다.

아래는 CMS 디텍터에 잡힌 2-photon-channel로 붕괴하는 힉스 입자 이벤트의 후보입니다.

하지만 힉스 입자 말고도 2 photon을 내놓은 유사한 과정들이 존재하며, 이들을 제외한 나머지가 발견 되었을 때 비로소 힉스 이벤트라고 생각할 수 있습니다. 실제로 CMS 에서는 상당히 많은 2 포톤 이벤트들을 모았으며, 아래처럼 힉스 시그널이 배경 시그널 위로 뾰족하게 나오는 것을 발견했습니다. 아래를 보세요.

마찬가지로 4-랩톤 채널로 붕괴하는 후보 이벤트들이 많이 발견되었습니다. 아래는 매우 깨끗하게 125 GeV에서 힉스 입자가 2개의 Z 입자를 거쳐 랩톤으로 붕괴하는 경우에 딱 맞는 이벤트입니다. 아마 여기에 힉스가 숨어 있었을 것입니다.

4랩톤 이벤트도 아래 처럼 다른 경로로 발생한 것을 제외하고도 뾰족한 피크가 발생한 것을 확인할 수 있습니다. 아래를 보세요.

일단 위 두 채널에서 통계적으로 5.0 시그마 정도로 유의한 시그널이 발견되었고, 이것이 힉스 시그널이 아니라 배경 시그널의 요동일 확률은 대략 천만분의 3 정도 됩니다. 이 정도면 힉스가 발견되었다고 볼 수 있다고 전문가들은 판단하고 있습니다.

물론 이 '힉스' 입자가 정말로 표준모형이 예측했던 모든 성질들을 만족하는지 알기 위해서는 앞으로도 가야할 길이 멉니다. 이를 위해 2020년 정도까지는 LHC가 가동되고, 그 이후에 LEP3, Higher-Energy-LHC등이 논의되기 시작했습니다.

아마 이 글을 읽고 계신 대부분의 독자님들과 저는 힉스 입자의 거의 완전한 모습을 실험을 통해 알 수 있을 것 같습니다. 그리고 덤으로 힉스 입자의 질량을 결정짓는 보다 깊은 수준의 물리학 이해의 단초를 보게 될지도 모르겠습니다. 바로 물리학이 한 발 앞으로 나아가는 그 순간을 말이죠.

tag : 힉스, Higgs

힉스 라이브

ExtraD — Wed, 04 Jul 2012 06:46:35 GMT

17:56 "축하합니다. 제가 생전에 이런 일이 있을 줄 몰랐어요" 피터 힉스 --The inventor of the Higgs boson.

All be happy!

17:46 "We have a discovery of a Higgs boson, but which one"?

17:44 I think we have it. You agree? 박수~~

17:44 힉스 교수님의 감격적인 모습.

17:41 ATLAS conclusion: with local significance 5.0 sigma (4.5/3.4 in 2 photon, 4 lepton), 126.5 GeV

17:40 This is just the Beginning!

17:38 We are entering the ear of "Higgs measurements" is it the SM Higgs??

17:37 best fit value 126.5 GeV..

17:36 그렇다면 다른 채널은??

17:33 Combination of all new results and old results..125 big, clean spike~! 5 sigma!!

17:32 3.4 sigma in 4lepton channel

17:27 1.3 times SM prediction in ZZ ..hmmmm...

17:24 H->4e/4mu 60%/45% gain relative to LHC7

17:21 mu=1.9+-0.5 ...표준모형보다 살짝 많이 나온 2photon signal

17:19 4.5sigma local in 2 gam channel , 3.6 sigma global (2011-2012)

17:18 125 GeV 픽 보여요~!

17:13 blah..blah...blah...

17:11 after long long discussion... finally with 10.7/fb data ... 7 & 8 TeV data .. in 2gam, 4l channels ...

17:06 ATLAS 12 channels search ..

17:03 아직도 파일업..

16:59 파일업 문제 해결.. using tracking information technique..

16:57 폰트가 너무 작아요..T_T

16:53 ATLAS (Fabiola Giannotti) 시작..2주된 새 데이터!

16:48 CMS 결론: 표준모형과 consistent 95% CL ..125.3+-0.6 GeV 4.9 sigma significance

16:47 all channel together 4.9 sigma of 125 GeV.

16:46 향후 다른 채널들에서 검증을 해야합니다!

16:45 2 tau 채널..no evidence

16:42 combined 5.1 sigma.

16:42 ZH 채널 ..

16:40 WW 채널..slight excess..

16:37 박수.. gam+gam, zz combined .. Five sigma for combined! 힉스발견

16:36 relatively less significant ..3.2 sigma

16:34 see the very nice peak around 125!

16:31 H>ZZ>4leptons starts

16:30 sig/sig(SM)=1.56+-0.43.. consistent with the SM ..clear excess seen..how significant? looks like more than 4sigma

16:23 80% pure VBF event selection ..

16:21 125GeV 픽이 보이는 2012 8 TeV 슬라이드

16:20 2 photons...start!

16:18 ECAL, Muon id, particle isolation, jet id blah..blah...

16:13 3년간 엄청나게 잘 돌아가는 CMS 디텍터와 LHC 가속기..

16:10 5.2/fb LHC8 2012 out of 6.7/fb is good enough

16:08 very good resolution H-gam gam, ZZ-4leptons

16:05 The SM confirmed at 1% level..where we stood last week

16:04 Joe Incandela (CMS) 시작

16:03 "글로벌 코뮤니티에 라이브로 방송되는 첫번째 고에너지 물리학 컨퍼런스 입니다" (director general speach)

16:02 이제 시작!!

15:55 힉스 등장!

15:51 이제 거의 10분전. 화면에 John Ellis 등 보여요. 카이스트 이승준교수님 보이네요. ^^

15:44 오늘 과연 힉스가 발견될까요? 고등과학원 4층 세미나 룸에서 CERN LIVE 방송을 보기 위해 물리학자들이 모여있습니다.

tag : 힉스

2011/2012 임팩트팩터: JCR2011

ExtraD — Sun, 01 Jul 2012 02:17:37 GMT

핵입자 물리학 및 천체입자물리학 및 관련 분야 저널 임팩트팩터 리스트입니다.

**Full List: 2012-JCR2011-SCI-IF.numbers
**참조: Impact factor 2011, 바죠
**참조: 2011/2012年最新SCI期刊影响因子（Impact Factor ）查询与下载（JCR2011）

tag : IF, JCR, 저널

"헛간(barn)" 이라는 물리 단위

ExtraD — Sun, 01 Jul 2012 00:34:15 GMT

요즘 "LHC에서 10/fb (inverse femto-barn)의 데이터를 모았다"는 이야기가 나옵니다. 대체 이게 얼마나 많은 데이터를 모았다는 이야기 일까요? 오늘은 "barn" 이라는 단위에 대해 말씀드릴게요.

우선 barn의 문자 그대로의 의미는 헛간입니다. 구글 이미지 검색을 해보시면 대략 아래 같은 헛간 이미지를 얻으실 수 있습니다.

이 헛간이라는 단위는 2차대전중 맨해튼 계획으로 우라늄핵에 중성자를 쏘아서 그 구조를 연구하던 퍼듀대학의 두 물리학자 (Marshall Halloway and Charles Baker)가 "마치 헛간 처럼 우라늄 핵의 효과 단면적이 크다"는 의미로 처음 쓰기 시작했고, 핵물리학의 기밀사항을 기술하기에 적합했기에 채택되었다고 합니다 [1]. 지금은 핵물리는 물론 입자물리학의 단위로 널리 사용되고 있지요.

구체적으로 barn (b) 은 SI 단위계에서 아래처럼 나타낼 수 있습니다.

$$ {\Large 1{\rm b} = 10^{-28} {\rm m}^2 = 100 ~{\rm fm}^2}$$

대략 1fm가 수소핵 (양성자)의 크기라고 한다면 광활한 우라늄 핵의 단면적을 '헛간'이라고 부르는 것이 이해가 될거에요.

입자물리에서 더 흥미로운 유닛들은

$$
\begin{eqnarray}
Nano-barn: 1 {\rm nb} = 10^{-9} {\rm b} \\
Pico-barn: 1 {\rm pb} = 10^{-12} {\rm b} \\
Femto-barn: 1 {\rm fb} = 10^{-15} {\rm b} \\
Atto-barn: 1 {\rm ab} = 10^{-18} {\rm b} \\
\end{eqnarray}
$$

등이 있습니다.

유용한 conversion factor로 $$ 0.3894 {\rm mb} = 1 c^2 \hbar^2/{\rm GeV^2}$$를 이용하면, 자연유닛 (c=hbar=1)에서

$$ 1.0 {\rm pb} = \frac{1}{0.3894}\times \frac{1}{(1000 \rm GeV)^2}\approx \frac{2.568}{\rm TeV^2} $$

가 되어, 대략적인 electroweak 과정의 산란단면적이 나옴을 알 수 있습니다. 참고로, WIMP 입자의 thermal relic density는 대략 다음 식으로 결정이 됩니다.

$$
\begin{eqnarray}
\Omega h^2 \approx \frac{0.1 \rm pb \cdot c}{\langle \sigma v \rangle},
\end{eqnarray}
$$
여기서 $\langle \sigma v \rangle$는 freeze-out 당시의 WIMP입자들의 열적평균산란단면적과 속도로 나타낸 값입니다. WMAP등에서 실제 측정된 $$\Omega h^2 \approx 0.11$$ 정도이므로, 산란단면적은 대략 1.0 pb 정도여야 할 것을 쉽게 알 수 있고, 이를 암흑물질 질량과 비교해보면,

$$ \langle \sigma v \rangle \sim \frac{4\pi \alpha^2}{m_{\rm DM}^2}$$

를 활용했을 때, 대략 $$m_{\rm DM}\sim 100 {\rm GeV}$$ 라는 결론이 나게 됩니다. 이처럼 weak scale의 weakly interacting 입자가 딱 적절한 암흑물질량을 준다는 사실을 "WIMP miracle"로 부릅니다.

**Reference**

[1] Symmetry Feb 2006, signal to background

tag : physics, unit, barn, wimp, darkmatter

Fermi-LAT 130 GeV Gamma-ray line (1부)

ExtraD — Sat, 30 Jun 2012 08:02:11 GMT

지난 4월 독일 막스플랑크 연구소의 젊은 박사후 연구원인 Christoph Weniger의 새 논문 (arxiv:1204.2797)이 발표되었습니다. 아래 초록에서 보실 수 있듯 그는 FERMI-LAT의 데이터에서 130 GeV 감마선 라인이 들어 있다는 것을 알아냈고, 이것이 암흑물질의 쌍소멸에서 기인했을 가능성이 있다는 주장을 하고 있습니다. 이후 두달 가량 동안 20여편의 후속 논문이 나오는 등 입자-우주론 분야의 핫토픽으로 떠오르게 되었습니다.

Christoph는 몇 해전 제가 있던 동경대 Kavli-IPMU 연구소에 독일 뮌헨 공대 학생 신분으로 그의 지도교수인 Alejandro Ibarra 교수와 함께 방문했을 때 처음 만났었는데요, 당시 PAMELA와 Fermi-LAT 데이터에서 암흑물질의 신호를 읽어내는 작업을 진행중이었고, 저도 저 나름의 암흑물질 모형을 막 완성했을 때 였기 때문에 많은 이야기를 (술과 함께 ^^) 나누었던 기억이 납니다.

데이터를 활용하여 시그널를 보다 효과적으로 읽어내는 새로운 기법이 동원된 그의 논문에서 아래 그래프가 가장 확실하게 Gamma-Ray Line을 보여줍니다.

통계적 오차를 포함한 검정색 점들이 데이터. 암흑물질 효과를 포함하지 않은 best-fit 모델이 초록색, 포함한 모델이 붉은색으로 표기되어 있으며, 파란색 점들이 암흑물질로 부터 기인한 감마선의 플럭스 라인을 나타냅니다. 통계적으로 4.63 sigma.

암흑물질이 아닌 "Milky way Bubble"의 표준적인 천체물리학적 과정이 감마선의 기원이라는 주장 (arxiv:1204.6047)이 있었지만, 일단 암흑물질 해석 쪽이 보다 더 큰 관심을 받고 있으며, 실제로 "버블"로 적절한 설명이 될 수 없다는 주장도 나오고 있는 상황입니다.

그러나 조금 자세히 들여다보면 문제가 간단치 않습니다. 우선 감마선 플럭스를 설명하기 위해 필요한 암흑물질 소멸률은 표준 우주모형에서 열적 평형상태에 있다가 freeze-out 되어 남게 되는 thermal relic 량과 잘 맞지 않습니다. 만약 암흑물질의 주 소멸 결과물이 감마선이라면 우주에는 너무 많은 암흑물질이 남는다는 결과가 나옵니다. 따라서 주 소멸 채널은 감마선이 아닌 다른 어떤 채널이어야 합니다. 이러한 특징은 '표준적인 후보'인 초대칭이론의 neutralino나 여분차원 이론의 Kaluza-Klein photon 등으로 설명될 수 없기 때문에 새로운 종류의 암흑물질 이론이 필요하다는 말이 됩니다. 이론가의 상상력이 필요한 상황이라고도 할 수 있겠군요. 어떤 종류의 이론이 가능할지는 2부에서 논의해보겠습니다.

tag : 물리학, 암흑물질, FERMI, 우주선

Mathematica 8로 하는 시스템 벤치마크, 힉스

ExtraD — Thu, 28 Jun 2012 23:49:21 GMT

New MacBook Pro가 나오기 불과 2-3개월 전에 구입한 "구형" 맥북프로의 성능 테스트를 했습니다.

오~~이거 사양에 비해 너무 벤치마크 포인트가 높게 나왔어요. 참고로 제 노트북 사양은 아래와 같습니다.

**물리이야기 추가

7월4일 CERN 에서 "힉스 탐색의 최신 결과"를 위한 기자회견을 한다고 합니다. 당연히 "힉스 발견" 주장이 나올 것이라는 기대가 모아지고 있구요. 물론 두껑을 열어보아야 알겠지만 정황상 "발견"의 도장을 그날 찍을 수 있을지에 대해서 저는 약간 회의적입니다만 (gamma-gamma 채널 이외에서는 시그널이 너무 약해요..) 그래도 좀 더 많은 데이터 셋이 자연의 진실에 대해 어떤 이야기를 해주는지 기대하게 됩니다.

미국 독립기념일인 7월4일이 과연 힉스-데이가 될지!

tag : macbook, higgs