빛 공해도 없고, 공기도 맑은 곳의 밤하늘에는 별빛이 쏟아지는 장관이 펼쳐진다. 헤아리기 어려울 정도로 무수한 별들이 우주 공간에서 차지하는 비중은 사실 채 5%가 되지 않는다. 과학자들은 26.8%, 우주의 4분의 1을 차지하는 물질이 '암흑물질(Dark Matter)'일 것으로 추정하고 있다.

▲ 암흑물질은 우주 공간의 26.8%를 차지할 것으로 추정되는 가상의 입자다. (출처: NASA)

암흑물질은 눈에 보이지도 않을뿐더러 다른 물질과의 상호작용도 거의 없어 관측이 어렵다. 2000년이 넘는 인간의 역사에서 암흑물질의 흔적을 발견한 연구팀은 전 세계에서 단 1팀뿐이다. 이탈리아 그랑사소 입자물리연구소에 본거지를 둔 다마(DAMA) 국제공동연구팀이 그 주인공이다.

▲ 다마 국제공동연구팀은 이탈리아 지하실험실에서 1995년부터 암흑물질 탐색실험을 시작했다.
(출처 : LNGS-INFN)

다마 팀은 1995년부터 지하실험실에 설치한 검출기로 암흑물질 탐색 실험을 시작했다. 3년 뒤인 1998년 검출기엔 계절에 따라 변하는 신호가 포착됐고, 다마 팀은 이 신호를 암흑물질의 유력 후보로 꼽히는 윔프(WIMP) 입자가 남긴 흔적이라고 주장했다. 지구가 공전궤도를 지나는 과정에서 암흑물질의 밀도가 다른 지역을 통과하고, 그 결과 신호가 달라진다는 주장이었다.

하지만 현재까지 세계 어느 연구팀도 다마 팀이 측정한 에너지 범위에서 윔프의 신호를 발견하지 못했다. 이 때문에 다마 팀이 포착한 신호가 정말 윔프의 흔적이 맞는지에 대한 논란이 20년째 이어졌다.

기초과학연구원(IBS) 지하실험 연구단이 이 오랜 미스터리를 검증할 신호탄을 쐈다. 독자적인 연구개발을 통해 다마 팀과 동일한 암흑물질 검출 설비를 개발하고, 강원도 양양 양수발전소 지하 700m에 위치한 지하실험실에서 2016년부터 본격적인 실험을 시작했다.

▲ IBS 지하실험 연구단의 암흑물질 탐색설비가 위치한 양양지하실험실(Y2L)의 모습.

암흑물질 탐색 실험은 고순도의 결정에 암흑물질이 드문 확률로 충돌하는 순간의 신호를 포착하는 원리다. IBS가 주도하는 코사인-100 공동연구협력단¹⁾은 다마 팀과 동일한 요오드화나트륨(NaI) 결정을 이용하는 실험설비를 마련하는 한편 더 안정적인 검출환경을 조성했다.

고체 차폐체에 액체 섬광체를 추가한 이중 차폐 설계를 도입해, 외부의 잡신호를 줄이는 동시에 결정 내부에서 만들어지는 방사능도 줄였다. 또 기계학습(Machine-learning)을 접목해 인공지능으로 윔프의 신호가 아닌 잡신호를 선별해낼 수 있는 기술도 추가했다.

코사인-100 공동연구협력단이 실험 시작 초반(2016.10.20.~2016.12.29.) 59.5일 간에 확보한 데이터를 분석한 결과를 국제학술지 '네이처' 12월 6일자에 발표했다. 동일한 설비를 이용했음에도 이번 실험에서는 다마 팀의 주장과 달리 윔프의 흔적이 발견되지 않았다.

다마 팀의 주장이 맞다면, 해당 기간 동안 약 1200개의 신호가 검출돼야 하지만, 연구팀의 관측 결과 윔프로 예상되는 신호는 관측되지 않았다. 다마 팀이 발견한 신호가 암흑물질에 기인하지 않을 수 있다는 가능성을 제시한 것이다.

▲ 코사인-100 검출기의 모식도. 납 차폐체 안쪽에 40cm 두께의 액체 섬광체로 검출기를 한 번 더 감싸 안정적인 검출 환경을 구축했다.

코사인-100 공동연구협력단의 초기 실험은 다마 팀이 관측한 신호가 보편적인 암흑물질 모델과 일치하지 않는 다는 것을 증명한 결과다. 학계는 다마 실험을 완벽히 재현할 수 있는 설비를 마련하고, 검증 연구를 시작했다는 것만으로도 주목했다. 연구팀은 추가 실험을 통해 본격적으로 데이터를 확보하기 시작하면, 향후 5년 내 암흑물질을 둘러싼 미스터리를 해결할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

한편, 연구팀은 현재 순도를 더 높인 결정을 제작하기 위한 연구개발(R&D)과 함께 양양지하실험실보다 더 깊은 정선 지하실험실을 구축하고 있다. 지하 1100m 깊이의 지하실험실에는 암흑물질의 신호를 가리는 배경방사능의 영향이 더 줄어들어, 효과적인 검출 실험이 가능할 것으로 기대된다.

▲ 현재 IBS 지하실험 연구단이 구축 중인 정선지하실험실의 엘리베이터 시설. 초속 4m의 엘리베이터는 600m 깊이의 수직 갱도를 따라 연구자들을 지하공간으로 데려다 줄 예정이다.

이현수 부연구단장은 "암흑물질은 '입자 물리학의 성배'로 불릴 정도로 아직 밝혀지지 않은 비밀이 많은 존재"라며 "암흑물질의 발견은 우리가 알고 있는 모든 물리지식에 영향을 줄 놀라운 사건으로 이어질 것"이라고 말했다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬