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블랙홀의 제트를 지상에서 재현한 CERN의 과학자들


 

(How it works: A proton (far left) from the Super Proton Synchrotron (SPS) accelerator at CERN impinges on carbon nuclei (small gray spheres). This produces a shower of various elementary particles, including a large number of neutral pions (orange spheres). As the unstable neutral pions decay, they emit two high-energy gamma rays (yellow squiggly arrows). These gamma rays then interact with the electric field of Tantalum nuclei (large gray spheres), generating electron and positron pairs and resulting in the novel electron-positron fireball plasma. Because of these cascade effects, a single proton can generate many electrons and positrons, making this process of pair plasma production extremely efficient. Credit: University of Rochester Laboratory for Laser Energetics illustration / Heather Palmer)

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국제 과학자팀이 유럽 입자물리 연구소 CERN의 실험 장비를 이용해 지구에서 블랙홀의 제트를 재현하는 연구에 성공했습니다. 옥스포드 대학의 물리학자인 찰스 애로우스미스 (Charles Arrowsmith, a physicist from the University of Oxford)와 동료들은 CERN의 High-Radiation to Materials (HiRadMat)의 Super Proton Synchrotron (SPS)을 이용해 전자와 그 반입자인 양전자 쌍 플라스마를 생성했습니다.

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은하 중심의 블랙홀은 많은 물질을 흡수하지만, 사실 이름과는 달리 은하에서 가장 밝은 천체입니다. 상당히 많은 물질이 사상의 평면으로 사라지지 않고 강력한 블랙홀 주변 자기장에 의해 아원자 제트의 형태로 방출되기 때문입니다.

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광속에 가까운 속도로 분출하는 제트는 엄청난 에너지 때문에 다른 곳에서는 볼 수 없는 극단적인 물리현상이 발생하는데, 전자 그 반물질인 양전자가 생성되었다가 사라지는 것도 그 중 하나입니다.

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과학자들은 시뮬레이션과 이론적 연구를 통해 이 과정을 연구해 왔지만, 아무래도 이론적인 연구만으로는 확신을 가지기 어려웠습니다. 대부분의 제트가 아주 멀리 떨어진 위치에 있다보니 관측에 의한 연구 역시 한계가 있었습니다.

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이 한계를 극복하기 위해 연구팀은 연구팀은 강력한 싱크로트론인 SPS를 이용해 1000억 이상의 양성자를 흑연과 탄탈륨을 향해 발사했습니다.

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빛에 가까운 속도로 가속된 양성자들은 본래보다 440배 많은 운동 에너지로 흑연 원자핵에 충돌한 후 원자핵 내부의 중성 파이온 (neutral pions) 쏟아내며 광자를 만들고 이것이 탄탈륨에 연쇄 반응을 일으켜 최종적으로 10조 개의 전자-양전자 쌍을 만들어 실제와 유사한 플라스마 상태를 구현했습니다. (사진 참조)

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연구팀은 이 실험 연구에서 얻어진 데이터가 블랙홀의 제트 같은 극단적인 상황을 연구하는데 도움을 줄 것으로 기대하고 있습니다. 자연의 극한 상황까지 재현하는 최첨단 실험 물리학의 성과가 놀랍기만 합니다.

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참고

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https://phys.org/news/2024-06-pair-plasmas-deep-space-generated.html

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https://newatlas.com/physics/plasma-fireballs-matter-antimatter-black-holes-cern/

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C. D. Arrowsmith et al, Laboratory realization of relativistic pair-plasma beams, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49346-2

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