기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 지하실험 연구단(단장 김영덕)이 강원도 정선군 철광 지하 1,100m에 우주입자연구시설을 구축한다. 연구단은 기존의 지하 실험시설(양양 양수발전소 소재)보다 400m 더 깊이 내려가 정체를 드러내지 않는 암흑물질¹⁾의 발견과 유령입자로 불리는 중성미자²⁾의 질량 측정 및 성질 규명에 도전한다.

IBS는 우주입자연구시설 구축을 위해 정선군(군수 전정환), 한덕철광(대표 김명주)과 17일 강원도 정선군청에서 업무협력 협정(MOU)을 체결한다. IBS 지하실험 연구단은 정선군 신동읍 예미산 일대 한덕철광의 철광 지하 1,100m 아래에 약 2,000m2 규모의 연구시설을 2019년까지 짓는다는 목표다. 지하 연구시설 조성에 210억 원이 투입되며 본격적인 실험은 2020년부터 진행될 예정이다.

암흑물질 검출과 중성미자 질량 측정은 우주의 기원과 물질의 존재를 이해하는데 관건이 된다. 현대물리학 최대과제로 꼽히는 만큼 노벨물리학상 0순위 후보로 거론된다. 암흑물질과 중성미자가 내는 신호는 포착하기 매우 어렵기 때문에 실험 환경에서 배경잡음(우주선 등)을 최대한 줄여야 한다. 주변이 조용해야 미세한 소리를 들을 수 있는 원리와 같다. 전 세계 과학자들이 경쟁적으로 지하 깊은 곳에 검출장치를 설치하는 이유다. 2015년 노벨물리학상을 수상한 가지타 다카아키 일본 도쿄대 교수는 거대 실험장치'슈퍼-카미오칸데'를 폐광 지하 1000m 아래에 설치하여 중성미자 진동현상을 관측했다.

연구단이 연구시설과 새 장비를 모두 갖추면, 중성미자 질량 검출 수준(민감도)는 약20meV³⁾로 크게 향상된다. 현재 양양 실험실에서 수행하고 있는 초기단계 실험의 검출 수준은 약 200meV 정도며 중성미자 질량은 측정이 어려울 만큼 작기 때문에 검출 질량의 수준을 낮추어야 측정 가능성이 높아진다. 현재 세계 최고 수준 민감도가 100meV 정도다. 암흑물질의 경우 배경잡음인 우주선이 5배 이상 차단될 것으로 예상된다. 잡음이 적으면 그만큼 암흑물질의 신호를 발견할 확률이 높아진다.

지하실험 연구단은 현재 강원도 양양군에 있는 한국수력원자력 양양 양수발전소의 협조로 지하 700m 아래 300m2 규모 실험실에서 천체입자 물리학 분야 실험을 수행중이다. 하지만 연구시설의 깊이와 크기 모두 한계에 이르게 됐다. 연구단은 새 연구시설이 구축되면 세계적 연구그룹과 경쟁할 만한 연구 환경이 조성될 것으로 전망하고 있다. 연구시설에는 IBS의 실험장비 뿐 아니라 타 연구기관들의 장비들도 설치될 예정이어서 국내외 협업이 크게 확대될 것으로 기대된다.

김영덕 연구단장은 "우주입자연구시설이 완공되면 천체입자물리학 분야가 한 단계 도약하고, 세계적인 연구 성과를 창출할 수 있을 것"이라며 "연구단은 지역사회 과학 발전을 위해서도 노력할 것이다"고 말했다. 정선군은 이번 사업이 국가 기초과학 발전에 기여하는 하는 것은 물론, 지역 경제발전에도 큰 도움이 될 것으로 기대하고 있다.

현재 연구단이 수행하는 연구는 크게 두 가지다. 우선, AMoRE(Advanced Mo-based Rare process Experiment) 실험은 중성미자 미방출 이중베타 붕괴 현상을 관측한다. 중성미자의 성질을 초저온냉동기 내 설치된 검출기로 관측하는 실험이다. AMoRE 실험은 반물질과 물질의 비대칭성을 설명할 수 있는 실마리를 제공한다. 다른 하나는 우주 구성과 탄생의 비밀을 지닌 암흑물질을 탐색하는 코사인(COSINE) 실험이다. COSINE 실험은 은하계에 널리 분포하고 있을 것으로 예상되는 암흑물질이 드물게 검출기와 충돌 시, 방출되는 신호를 측정한다. 여러 암흑물질 후보 중에서도 약하게 상호작용하는 무거운 입자인 '윔프(WIMP)'를 포착하는데 주력한다.

▲ [그림 1] 한덕철광 광산 내 조성될 IBS 지하실험 연구단의 우주입자연구시설 조감도 우주입자연구시설은 지하 1,100m 한덕철광 광산 내 조성될 예정이다. 지하 실험시설 외에도 지상 연구실, 연구 인력을 위한 숙소 건설도 포함되어 있다.

▲ [그림 2] 우주입자연구시설 내 실험 및 연구실 구축 배치도 우주입자연구시설은 한덕철광 광산 지하 1,100m, 규모 2,000m2 면적으로 구축될 예정이다.