아스트로피사 물리학

Astroparticle physics
과학 저널은 Astropitzer Physics(저널)를 참조하십시오.

입자 천체물리학이라고도 불리는 천체물리학은 천문학적 기원의 기초 입자와 천체물리학 및 우주론과의 관계를 연구하는 입자물리학의 한 분야다. 입자물리학, 천문학, 천체물리학, 검출기물리학, 상대성, 고체물리학, 우주론의 교차로에서 나타나는 비교적 새로운 연구 분야다. 부분적으로 중성미자 진동의 발견에 의해 동기가 부여된 이 분야는 2000년대 초부터 이론적으로나 실험적으로 급속한 발전을 겪어 왔다.[1]

역사

아스트로피사 물리학 분야는 광학 천문학에서 진화한다. 검출기 기술의 성장과 함께 보다 성숙한 천체물리학이 등장했는데, 이 물리학에는 역학, 전기역학, 열역학, 플라즈마 물리학, 핵물리학, 상대성, 입자물리학과 같은 다중물리학 하위학들이 포함되었다. 입자물리학자들은 우주에서 발견되는 에너지와 비교할 수 있는 에너지를 가진 입자를 생산하는데 어려움이 있기 때문에 천체물리학이 필요하다는 것을 발견했다. 예를 들어 우주선 스펙트럼에는 1020 eV의 높은 에너지를 가진 입자가 포함되어 있는데, 여기서 거대 하드론 충돌기에서 양성자-프로톤 충돌이 약 1012 eV의 에너지에서 발생한다.

이 분야는 1910년 독일의 물리학자 테오도르 울프(Theodor Wulf)가 에펠탑 바닥과 꼭대기에서 감마선의 지표인 공중 이온화를 측정하면서 시작됐다고 할 수 있다. 그는 이 방사선에 대해 지상의 소스만 귀속될 경우 예상되는 것보다 상단의 이온화가 훨씬 더 많다는 것을 발견했다.[2]

오스트리아의 물리학자 빅터 프랜시스 헤스는 이온화 중 일부가 하늘에서 날아온 방사선에 의해 발생한다는 가설을 세웠다. 헤스는 이 가설을 방어하기 위해 높은 고도에서 작동할 수 있는 계측기를 설계하고 5.3km 고도까지 이온화에 대한 관찰을 수행했다. 1911년부터 1913년까지 헤스는 이온화 수준을 꼼꼼하게 측정하기 위해 10번의 비행을 했다. 그는 사전 계산을 통해 지상원이 방사선 단독 원인일 경우 고도 500m 이상의 이온화가 있을 것으로 예상하지 못했다. 그러나 그의 측정에 따르면 처음에는 고도에 따라 이온화 수준이 감소했지만 어느 순간부터 급격히 상승하기 시작했다. 비행의 정점에서, 그는 이온화 수준이 표면보다 훨씬 더 높다는 것을 발견했다. 그러자 헤스는 "매우 높은 침투력의 방사선이 위에서 우리 대기권으로 들어온다"고 결론 내릴 수 있었다. 게다가, 헤스의 비행 중 하나는 거의 완전한 태양 일식 기간이었다. 헤스는 이온화 수치의 강하를 관찰하지 않았기 때문에, 그 원천이 우주에서 더 멀리 떨어져 있어야 한다고 추론했다. 이 발견으로, 헤스는 1936년에 노벨 물리학상을 받은 사람들 중 한 명이었다. 1925년 로버트 밀리칸은 헤스의 연구 결과를 확인하고 나서 '우주선'[3]이라는 용어를 만들었다.

아스트로피사물리학 분야의 기원에 정통한 많은 물리학자들은 헤스에 의한 우주선의 이 '발견'을 이 분야의 출발점으로 돌리는 것을 선호한다.[4]

연구 주제

아스트로피사물리학 분야에 대한 표준적인 '텍스트북' 서술은 결정하기 어려울 수 있지만, 그 분야는 적극적으로 추진되고 있는 연구주제로 특징지어질 수 있다. 학술지 아스트로피사 물리학(Astropiter Physics)은 다음과 같은 분야의 새로운 발전에 초점을 맞춘 논문을 채택하고 있다.[5]

  • 고에너지 우주선 물리학 및 천체물리학
  • 입자 우주론;
  • 입자 천체물리학,
  • 관련 천체물리학: 초신성, 활성 은하 핵, 우주적 풍요, 암흑 물질 등
  • 고에너지, VHE 및 UHE 감마선 천문학
  • 고 에너지 및 저 에너지 중성미자 천문학
  • 상기 필드와 관련된 계측 및 검출기 개발.

질문 열기

이 분야의 미래를 위한 한 가지 주요 과제는 단순히 작업 정의를 넘어 자신을 철저하게 정의하고 천체물리학 및 기타 관련 주제와 명확하게 차별화하는 것이다.[4]

현재 아스트로피사물리학 분야의 미해결 문제로는 암흑물질과 암흑에너지의 특성화가 있다. 1930년대 월터 바에드, 프리츠 즈위키를 시작으로 은하계 및 기타 은하계의 항성 궤도 속도에 대한 관측 결과, 은하단 내 은하의 속도가 동역학을 설명하는데 필요한 가시 물질의 에너지 밀도를 훨씬 초과하는 움직임을 발견했다. 90년대 초반부터 일부 후보자들은 일부 누락된 암흑물질에 대해 부분적으로 설명하는 것으로 밝혀졌지만, 그들은 완전한 설명을 하기에는 아직 충분하지 않다. 가속 우주의 발견은 사라진 암흑 물질의 많은 부분이 역동적인 진공에서 암흑 에너지로 저장된다는 것을 암시한다.[6]

아스트로피사 물리학자들에게 또 다른 질문은 왜 오늘날 우주에는 반물질보다 훨씬 더 많은 물질이 존재하는가 하는 것이다. 바리오제네시스(Baryogenesis)는 초기 우주에서 불평등한 수의 바리온과 항균을 생산한 가상의 과정을 일컫는 말로, 그래서 우주는 반물질(antimatter)이 아니라 오늘날 물질로 만들어지는 것이다.[6]

실험시설

이 분야의 급속한 발전이 새로운 형태의 기반시설의 설계로 이어졌다. 지하 실험실이나 특별히 설계된 망원경, 안테나 및 위성 실험에서 아스트로피자 물리학자들은 새로운 탐지 방법을 사용하여 중성미자, 감마선, 우주선을 포함한 광범위한 우주 입자를 최고 에너지에서 관측한다. 그들은 또한 암흑 물질과 중력파를 찾고 있다. 실험 입자 물리학자들은 자연에서 발견되는 에너지의 극히 일부만 생산할 수 있는 그들의 지상 가속기의 기술에 의해 제한된다.

아스트로피사물리학에 관련된 시설, 실험 및 실험실은 다음을 포함한다.

  • 아이스큐브(남극) 세계에서 가장 긴 입자 검출기는 2010년 12월에 완성되었다. 검출기의 목적은 고에너지 중성미자 조사, 암흑물질 탐색, 초신성 폭발 관찰, 자기 단층 등 이국적인 입자 탐색이다.[7]
  • 안티아레스(전화기) (프랑스 툴롱). 프랑스 툴롱 해안 지중해 해저 2.5km 지점의 뉴트리노 탐지기. 남반구 방향으로 중성미자 유속을 찾아 관찰하도록 설계되었다.
  • 제논1T의 개량형인 제논nT는 그란사소 국립연구소에 위치한 암흑물질 직접 검색 실험으로 SI 단면 10cm의−482 WIMP에 민감하게 반응한다.
  • 유기 액체 섬광기 표적을 통해 태양으로부터 중성미자를 검출할 수 있도록 설계된 로베르토리 나치오닐리 델 그란 사소(Lovatori Nazioni del Gran Sasso)에 설치된 실시간 검출기 BOREXINO.[8]
  • 피에르 오거 천문대(아르헨티나 말라르귀에) 두 가지 기법을 사용하여 고에너지 우주선을 검출하고 조사한다. 하나는 표면 검출기 탱크에 있는 물과의 입자 상호작용을 연구하는 것이다. 또 다른 기술은 지구 대기 중 높은 곳에서 방출되는 자외선을 관찰하여 공기 샤워의 발전을 추적하는 것이다.[9]
  • CERN 액시온 태양 망원경(CERN, 스위스) 태양에서 발생한 차축 검색.
  • 네스토르 프로젝트(그리스 필로스) 국제협력의 대상은 그리스 필로스 앞바다 해저에 중성미자 망원경을 배치한 것이다.
  • 가미오카 천문대는 일본 기후 현 히다 시의 가미오카 구간의 모즈미 광산에 위치한 중성미자와 중력파 실험실이다.
  • 로보토리 나치오닐리 델 그란 사소는 저소음 배경 환경이 필요한 실험을 진행하는 실험실이다. 라킬라(이탈리아) 근처에 있는 그란 사소 산 안에 위치한다. 그것의 실험실은 1400m의 암석으로 덮여 있어 우주 광선으로부터 실험을 보호한다.
  • 스놀라브
  • Aspera European Astropector 네트워크 2006년 7월에 시작되었으며, Astropiter Physics에서 국가적인 연구 노력을 조정하고 자금을 조달하는 책임을 맡고 있다.
  • 망원경 배열 프로젝트(Delta, Utah) 서부 유타 사막에서 지상 배열과 형광 기법을 이용한 초고에너지 우주 광선(UHECR) 검출 실험.

참고 항목

참조

  1. ^ De Angelis, Alessandro; Pimenta, Mario (2018). Introduction to particle and astroparticle physics (multimessenger astronomy and its particle physics foundations). Springer. doi:10.1007/978-3-319-78181-5. ISBN 978-3-319-78181-5.
  2. ^ Longair, M. S. (1981). High energy astrophysics. Cambridge, UK: Cambridge University Press. p. 11. ISBN 978-0-521-23513-6.
  3. ^ "April 17, 1912: Victor Hess's balloon flight during total eclipse to measure cosmic rays". Retrieved 2013-09-18.
  4. ^ Jump up to: a b Cirkel-Bartelt, Vanessa (2008). "History of Astroparticle Physics and its Components". Living Reviews in Relativity. Max Planck Institute for Gravitational Physics. 11 (2): 7. Bibcode:2008LRR....11....7F. doi:10.12942/lrr-2008-7. PMC 5256108. PMID 28179823. Retrieved 23 January 2013.
  5. ^ Astroparticle Physics. Retrieved 2013-09-18.
  6. ^ Jump up to: a b Grupen, Claus (2005). Astroparticle Physics. Springer. ISBN 978-3-540-25312-9.
  7. ^ "Archived copy". Archived from the original on 2013-01-23. Retrieved 2013-01-24.CS1 maint: 제목으로 보관된 복사본(링크)
  8. ^ http://borex.lngs.infn.it 웨이백 머신에 2012-07-23 보관
  9. ^ "Home". Archived from the original on 2013-05-06. Retrieved 2013-04-29.

외부 링크