GPS 위성들로 미지의 암흑 물질을 발견할 수 있다.

Elusive Dark Matter Could Be Detected with GPS Satellites

"만약 뭔가를 숨기려고 한다면, 보이는 평범한 곳에 놓아두라"라는 말이 있다. 두 물리학 교수들의 새로운 제안에 의하면, 이 논리는 우주에서 물질의 27%를 구성하고 있다고 여겨지는 신비한 질량을 찾기 위해 과학자들이 그동안 전력을 다해온 이유가 될 수 있다.

간단히, 이들 두 물리학자들은 지구 위치시스템을 살펴보는 것에 의해 암흑물질이  발견될 수 있다고 믿는다. 레노 네바다 대학교의 안드레이 데레비안코, 빅토리아 대학교와 캐나다 이론물리학 프리미어 연구소의 맥심 포스펠로프 등은 지난해 초 이 방법을 유명한 과학회의들에서 제안했고, 대체로 받아들여졌다.

그들의 생각은 GPS 위성을 이용하는 것과 원자시계 네트워크 그리고 이들 사이의 시간 불일치를 찾아 비교하는 것이다. 데레비안코와 포스펠로프는 암흑물질이 원자시계들의 붕괴에 영향을 줄 수 있으며 그렇게 뚜렷이 구별되는 특징의 상관관계들을 관찰함으로써 암흑물질이 있는 곳을 알아낼 수 있다고 제시했다.

그들은 네비게이션을 위해 원자 시계를 이용하는 30개의 GPS 위성들로부터 시간 데이터를 분석함으로써 이 이론을 테스트하기 시작했다. GPS와 관련된 네트워크들과 지상 네트워크는 이미 마련되어 있으므로 처음에 동기화된 암흑물질이 비동기화하게 되는 위상 결함을 발견하는데 강력한 도구로 사용될 수 있다. 

You know the old saying: “if you want to hide something, put it in plain sight?” Well, according to a new proposal by two professors of physics, this logic may be the reason why scientists have struggled for so long to find the mysterious mass that is believed to comprise 27% of the matter in the universe.

In short, these two physicists believe that dark matter can be found the same way the you can find the fastest route to work: by consulting the Global Positioning System. Andrei Derevianko, of the University of Nevada, Reno, and Maxim Pospelov, of the University of Victoria and the Perimeter Institute for Theoretical Physics in Canada, proposed this method earlier this year at a series of renowned scientific conferences, where it met with general approval.

Their idea calls for the use of GPS satellites and other atomic clock networks and comparing their times to look for discrepancies. Derevianko and Pospelov suggest that dark matter could have a disruptive affect on atomic clocks, and that by looking at existing networks of atomic clocks it might be possible to spot pockets of dark matter by their distinctive signature.

The two are starting to test this theory by analyzing clock data from the 30 GPS satellites, which use atomic clocks for everyday navigation. Correlated networks of atomic clocks, such as the GPS and some ground networks already in existence, can be used as a powerful tool to search for the topological defect dark matter where initially synchronized clocks will become desynchronized.

“암흑물질의 존재에 대한 분명한 관찰적인 증거들에도 불구하고, 그 본질은 미스터리로 남아있다”고 과학대학 교수 데레비안코는 말했다. "입자물리학의 일부 연구 프로그램들은 암흑물질이 무거운 입자같은 물질로 이루어져 있다고 가정한다. 이 가정은 진실이 아닐 수 있지만 의미있고 흥미로운 대안이다."

그들의 제안은 암흑물질이 전자의 질량처럼 그러한 기본적인 성질을 붕괴시킬 수 있는 우주 양자장의 균열로부터 오는 것이고 우리가 측정하는 시간에 영향을 미칠 수 있다는 생각을 세웠다. 이것은 암흑물질이 WIM나 액시온과 같은 아원자 입자로 구성되었다는 전통적인 관점을 깨는 것을 보여준다.

"우리의 연구는 암흑물질이 위상적 결함이나 에너지 균열의 대규모 가스 모음으로 이루어져 있을 수 있다는 생각을 추적하고 있다. 우리는 암흑물질이 민감한 원자 시계들의 네트워트과 함께 우리를 휩쓸고 지나가면 그 결함들을 발견할 것이라고 제안한다. 이 생각은 동기화가 어긋나는 시계가 있는 곳에 위상적 결함, 암흑물질이 지나갔다는 것을 알게됩니다. 사실, 우리는 GPS를 인간이 만든 거대한 암흑물질 검출기와 같은 성운으로 이용하는 것을 염두에 두고 있습니다."

데레비안코는 레노 네바다 대학교의 과학대 네바다 측지학 실험실장인 제프 블류윗과 함께 GPS 데이타 분석에 협력하고 있는 중이다. 측지학 실험실이 발전시키고 유지하는 세계의 대량 GPS 데이타 처리센터는 지구 주위의 12,000개 지점으로부터 들어오는 끊임없는 정보를 처리할 수 있다.

“Despite solid observational evidence for the existence of dark matter, its nature remains a mystery,” Derevianko, a professor in the College of Science at the University, said. “Some research programs in particle physics assume that dark matter is composed of heavy-particle-like matter. This assumption may not hold true, and significant interest exists for alternatives.”

Their proposal builds on the idea that dark matter could come from cracks in the universe’s quantum fields that could disturb such fundamental properties as the mass of an electron, and have an effect on the way we measure time. This represents a break from the more conventional view that dark matter consists of subatomic particles such as WIMPs and axions.

“Our research pursues the idea that dark matter may be organized as a large gas-like collection of topological defects, or energy cracks,” Derevianko said. “We propose to detect the defects, the dark matter, as they sweep through us with a network of sensitive atomic clocks. The idea is, where the clocks go out of synchronization, we would know that dark matter, the topological defect, has passed by. In fact, we envision using the GPS constellation as the largest human-built dark-matter detector.”

Derevianko is collaborating on analyzing GPS data with Geoff Blewitt, director of the Nevada Geodetic Laboratory, also in the College of Science at the University of Nevada, Reno. The Geodetic Lab developed and maintains the largest GPS data processing center in the world, able to process information from about 12,000 stations around the globe continuously, 24/7.

또한 물리학자 블류잇은 원자 시계들의 배열이 어떻게 암흑물질을 발견할 수 있는지 설명했다. "우리는 암흑물질이 반드시 거기 있다는 것을 압니다. 이를테면, 그것은 은하들 주위에서 빛을 굴절시키는 것으로 보이지만 무엇이 그렇게 만드는지에 관한 증거는 없습니다."라고 말했다. "만약 암흑물질이 거기에 없었다면, 우리가 알고 있는 일반적인 보통의 물질은 암흑물질이 하는 것처럼 빛을 굴절시키기에 충분하지 않습니다." 그것은 과학자들이 은하 어딘가에 막대한 양의 암흑물질이 있다는 것을 아는 하나의 방법이다. 한 가지 가능성은 이 가스 속의 암흑물질이 보통 물질과 같은 입자들이 아니라 시공간의 구조에서 거시적인 결함으로 만들어졌다는 것이다.

"지구가 은하 궤도들에 있는 이 가스를 휩쓸고 지나간다. 그것은 우리에게, 가스가 지구 시스템과 그 위성들을 통해 암흑물질이 불어오는 은하 바람처럼 나타날 수 있다. 암흑물질이 불어옴에 따라, 간간히 GPS 시스템의 시계들은 약 3분 정도 기간 동안 증거 패턴으로 싱크가 어긋하게 된다. 만약 암흑물질이 시계들을 10억분의 1초 이상 어긋나게 하는 원인이라면 우리는 그러한 일들을 쉽게 발견할 수 있다."

"이러한 작업의 형태는 과학을 변화시킬 수 있고, 우리의 우주에 관한 우리의 생각을 완전히 바꿀 수도 있다."고 물리학자이자 과학대학장 제프 톰슨이 말했다. "안드레이는 세계적인 물리학자이며 그는 이미 물리학에 큰 공헌을 했다. 그와 그의 그룹으로부터 나오는 놀라운 작업을 보는게 경이롭다."

데레비안코는 레노의 네바다 대학교에서 양자물리학과 관련된 주제들을 가르치고 있다. 그는 이론 물리학출판물들에서 100번 이상 참조된 권위자이다. 그는 미국 물리학 사회의 일원이고, 이론 물리학의 사이몬 일원이면서 풀브라이트 학자이다. 다양한 연구 주제들 사이에서, 그는 원자 시계들의 여러가지 새로운 종류들을 개발하는데 공헌했고, 원자와 분자들의 기본적인 대칭성들을 정확하게 실험했다.

Blewitt, also a physicist, explained how an array of atomic clocks could possibly detect dark matter. "We know the dark matter must be there, for example, because it is seen to bend light around galaxies, but we have no evidence as to what it might be made of,” he said. “If the dark matter were not there, the normal matter that we know about would not be sufficient to bend the light as much as it does." That’s just one of the ways scientists know there is a massive amount of dark matter somewhere out there in the galaxy. One possibility is that the dark matter in this gas might not be made out of particles like normal matter, but of macroscopic imperfections in the fabric of space-time.

“The Earth sweeps through this gas as it orbits the galaxy. So to us, the gas would appear to be like a galactic wind of dark matter blowing through the Earth system and its satellites. As the dark matter blows by, it would occasionally cause clocks of the GPS system to go out of sync with a tell-tale pattern over a period of about 3 minutes. If the dark matter causes the clocks to go out of sync by more than a billionth of a second we should easily be able to detect such events.”

“This type of work can be transformative in science and could completely change how we think about our universe,” Jeff Thompson, a physicist and dean of the University’s College of Science, said. “Andrei is a world class physicist and he has already made seminal contributions to physics. It’s a wonder to watch the amazing work that comes from him and his group.”

Derevianko teaches quantum physics and related subjects at the University of Nevada, Reno. He has authored more than 100 refereed publications in theoretical physics. He is a fellow of the American Physical Society, a Simons fellow in theoretical physics and a Fulbright scholar. Among a variety of research topics, he has contributed to the development of several novel classes of atomic clocks and precision tests of fundamental symmetries with atoms and molecules. 

http://www.universetoday.com/116449/elusive-dark-matter-could-be-detected-with-gps-satellites/