For decades, the strange substance called dark matter has teased physicists, challenging conventional notions of the cosmos.

Today, though, scientists believe that with the help of multi-billion-dollar tools, they are closer than ever to piercing the mystery -- and the first clues may be unveiled just weeks from now.

"We are so excited because we believe we are on the threshold of a major discovery," said Michael Turner, director of the Kavli Institute for Cosmological Physics at the University of Chicago, at an annual conference of the American Association for the Advancement of Science (AAAS).

Dark matter throws down the gauntlet to the so-called Standard Model of physics.

Elegant and useful for identifying the stable of particles and forces that regulate our daily life, the Standard Model only tells part of the cosmic story.

For one thing, it does not explain gravity, although we know how to measure gravity and exploit it for our needs.

And the Standard Model has been found to account for only around four or five percent of the stuff in the Universe.

The rest is dark matter, making up 23 percent, and dark energy, an enigmatic force that appears to drive the expansion of the Universe, which accounts for around 72 or 73 percent.

"On the cosmology side we now understand that this mysterious dark matter holds together our galaxy and the rest of the Universe," said Turner.

"And the tantalizing thing on the cosmology side is that we have an airtight case that the dark matter is made of something new... there is no particle in the Standard Model that can account for dark matter."

The dark matter theory was born 80 years ago when Swiss astrophysicist Fritz Zwicky discovered that there was not enough mass in observable stars or galaxies to allow the force of gravity to hold them together.

According to some theorists, dark matter is fleetingly formed by exotic particles called WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) that, as their name implies, have only weak interactions with the visible matter identified under the Standard Model.

But, again, this could only be part of the picture.

"The real question is why dark matter has six times the energy that is in ordinary matter," said Lisa Randall of Harvard University.

"It could be 10 trillions times bigger... This is an intriguing sign that there is maybe some other interaction we can detect."

To track these phantom particles, physicists rely on several methods and tools.

One is the Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) aboard the International Space Station (ISS), which captures gamma rays coming from collisions of dark matter particles.

The first results will be published in two to three weeks, according to Samuel Ting, a Nobel laureate and professor at the Massachusetts Institute of Technology (MIT) who is the mastermind of the two-billion-dollar project.

Ting declined to give details, only suggesting that these highly anticipated results would give humans a better idea about the nature of dark matter.

Another tool used by the scientists is the South Pole Neutrino Observatory, which tracks subatomic particles known as neutrinos, which, according to physicists, are created when dark matter passes through the Sun and interacts with protons.

Another big weapon is the Large Hadron Collider (LHC) near Geneva, the biggest particle smasher in the world.

Its power, they insist, could allow them to break-up electrons, quarks or neutrinos to uncover dark matter.

Last July, LHC physicists announced they had discovered a particle believed to be the Higgs boson, which confers mass. The Higgs was the key missing piece in the Standard Model.

"The dark matter particles are very heavy. It is one of the reasons we have made the LHC, not only to look for the Higgs boson," said Maria Spiropulu, professor of physics at the California Institute of Technology (Caltech). (AFP)



<관련 한글 기사>

암흑물질 발견 여부 곧 발표


암흑물질 입자를 포착하기 위해 지난 2011년 국제우주정거장(I SS)에 설치된 알파자기분광계(AMS)의 실험 결과가 학계의 비상한 관심 속에 처음으로 공개될 예정이라고 NBC뉴스와 BBC뉴스가 18일 보도했다.

노벨 물리학상 수상자 새뮤얼 팅 교수(매사추세츠공대(MIT))가 이끄는 AMS 분석 팀은 AMS의 실험에 관한 첫 보고서를 2주 안에 학술지에 발표할 계획이라고 밝혔다.

그는 "같은 결과를 놓고 6개 연구 팀이 분석해 모두가 동의하는 결과를 얻었다"면서 연구진이 보고서를 30차례 고쳐 쓸 만큼 중요한 내용을 담고 있다고 밝혔다.

암흑물질은 우주 구성 물질의 90% 이상을 차지하지만 중력 외의 방법으로는 관측 되지 않는다. 암흑물질이 어떤 요소로 구성돼 있는지 아직 밝혀지진 않았지만 일부 학자들은 물질이자 반물질이면서 매우 약한 상호작용을 갖는 거대질량 소립자(WIMP) 일 가능성이 큰 것으로 추정하고 있다.

물질과 반물질이 만나면 상쇄되기 때문에 두 개의 WIMP가 충돌하면 파괴되면서 전자와 양전자(陽電子)라는 딸 소립자가 방출된다.

20억 달러가 투입된 무게 7t의 AMS는 우리은하에서 일어나는 암흑물질의 상쇄 과정에서 생기는 양전자와 전자를 포집해 입자들의 질량과 속도, 에너지, 그밖에 근본적인 성질을 알 수 있다.

팅 교수는 AMS가 18개월간 활동하면서 약 250억 개의 소립자 이벤트를 관찰했으 며 이 가운데 약 80억 개가 빠른 속도로 이동하는 전자와 그 반물질 짝인 양전자라고 밝혔다.

만일 AMS가 특정 에너지 수준에서 극대량의 양전자를 검출했다면 이는 암흑에너 지의 포집을 의미한다. 왜냐하면 우리 주변에 전자는 얼마든지 많지만 양전자가 생길 수 있는 과정으로는 알려진 것이 거의 없기 때문이다.

또 하나의 결정적 증거는 양전자가 우주의 한 방향으로부터만 온 것인지, 아니 면 모든 방향에서 온 것인지에 달려 있다. 만일 이것이 암흑물질에서 온 것이라면 우주 공간에 균등하게 퍼져 있어야 하지만 별의 폭발 같은 일반적인 천문현상에서 나왔을 경우 한 방향에서 왔을 것이기 때문이다.

AMS가 암흑물질을 발견했건 아니건 과학자들은 이 연구를 통해 암흑물질의 기원 이 보다 명백해질 것으로 기대하고 있다.

AMS 외에 스위스의 강입자가속기(LHC)와 세계 도처의 지하에 건설된 암흑물질 포집기들도 몇 년 안에 암흑물질을 발견할 것으로 예상돼 학자들은 곧 `WIMP의 10년 '이 올 것으로 기대하고 있다. (연합뉴스)