우주를 이루고 있는 거대한 미지의 보이지 않는 물질, 암흑물질을 찾기 위한 과학자들의 노력은 계속돼 왔다. 암흑물질의 유력한 후보로는 윔프(WIMP)와 액시온(axion)이 있다. 그런데, 최근 들어 암흑물질의 새로운 후보로 제 3의 입자가 떠올랐다. 바로 비활성 중성미자(sterile neutrino)이다.

중성미자(neutrino)는 우주를 구성하는 기본 입자 가운데 가장 가벼운 입자로 한 때 암흑물질 후보 물질로 꼽혔다. 중성미자는 빛의 속도에 가깝게 움직이면서 전하를 띠지 않고, 다른 물질과도 약한 상호작용¹⁾만 하기 때문에 관측이 힘들어 '유령 입자'로 불린다. 그러나 우주 질량의 극히 일부만을 차지한다는 사실이 밝혀지며, 후보 대상에서 일찍이 제외됐다.

그런데 비활성 중성미자는 암흑물질의 새로운 후보 물질로 주목받기 시작했다. 비활성 중성미자는 전자중성미자, 뮤온중성미자, 타우중성미자 이 세 종류의 일반 중성미자가 서로 다른 종류로 바뀌는 진동 변환(oscillation) 과정에서 세 종류 이외에 존재할 것으로 예측되는 제 4의 중성미자다. 지금까지 태양 중성미자와 대기 중성미자, 원자로 중성미자를 관측한 결과 뮤온에서 타우, 전자에서 뮤온, 타우에서 전자중성미자로의 변환이 모두 밝혀졌다. 그러나 아직까지 밝혀지지 않은 중성미자의 진동 변환과 관련한 이상 현상들이 있는데, 그 가운데 대표적인 것이 '원자로 중성미자 이상 현상'이다. 비활성 중성미자는 1980년대부터 원자로에서 반중성미자가 예측한 것보다 7% 가량 적게 측정된 이상 현상을 기존 세 종류의 중성미자 진동 변환 만으로는 설명하기 어려워, 이를 설명하기 위해 등장한 가상의 입자다.

비활성 중성미자는 약한 상호작용조차 하지 않으며, 질량은 기존 중성미자보다 무거워 일반 중성미자와 차이가 있다. 현재 관측되는 은하의 구조나 밀도를 설명할 수 있는 강점이 있어 암흑물질의 유력한 후보로 주목받고 있다. 중성미자가 진동 변환될 때 검출될 수 있으므로, 중성미자의 진동을 측정하는 실험이 필요하다.

기초과학연구원 지하실험 연구단(단장 김역덕) 공동 연구팀²⁾은 비활성 중성미자 검출을 위해 영광 한빛 원자력발전소의 원자로를 이용, 단거리 중성미자 진동 실험(NEOS)을 진행했다. 실험은 원자로 중심으로부터 단거리인 24m³⁾ 떨어진 곳에 검출기를 설치해 중성미자의 에너지 스펙트럼을 측정했다. 원자로 안에서 원자핵이 붕괴되면서 생성된 중성미자가 검출기의 양성자와 반응해 양전자와 중성자를 만들어내는데, 이 양전자가 내는 빛의 세기가 에너지로 치환되는 원리다(그림1 참조).

▲ [그림 1] NEOS 실험의 원자로와 검출기 구조

에너지 스펙트럼을 분석한 결과, 대부분의 에너지 영역에서 중성미자 신호 측정값은 진동 변환이 없을 때의 기준 값과 대체로 일치했다. 즉 이번 연구의 스펙트럼 또한 별다른 진동 신호를 보이지 않아 비활성 중성미자를 검출하지는 못했다. 그러나 분석과정에서 연구진은 비활성 중성미자가 존재하지 않는 영역을 밝혀, 제 4의 중성미자 검출 범위를 크게 좁혔다. 기존의 여러 단거리 진동 실험으로부터 비활성 중성미자가 발견될 것으로 예상해 온 영역을 좁힌 것인데(그림 2 참조), 특히 비활성 중성미자가 검출될 최적의 예측값 지점은 본 실험 결과에서 발견 가능성이 없는 영역으로 제외됐다.

▲ [그림 2] 비활성 중성미자 검출 예상 영역에 대한 새로운 제안

한편, 기존의 먼 거리 중성미자 진동 실험에서는 특정 범위의 에너지 영역(4-6MeV)에서 중성미자 신호에 대한 이론적 계산값과 실험 예측값이 차이를 보이는데, 연구진은 이번 24m의 단거리 진동 실험에서도 해당 영역에서 이러한 차이가 나타난다는 사실을 처음으로 확인했다. 먼 거리 뿐 아니라 단거리 실험에서도 중성미자 신호에 대한 이론적 계산값의 오류가 있음을 입증함으로써, 이론 연구 보완의 필요성을 제기했다.

오유민 IBS 지하실험 연구단 연구위원은 "이 연구는 비활성 중성미자의 검출 예상 영역을 좁히며 영역의 경계를 새롭게 제안한 것으로, 향후 원자로를 활용한 중성미자 진동 실험에 좋은 참고 데이터를 제공할 것이다"라고 말했다. 연구결과는 미국 물리학회 학술지 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters, If=7.645) 온라인 판에 3월 21일(미국 시간) 게재됐다.