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암흑물질 미스터리 검증 신호탄 쐈다

- 초기 59.5일 실험 결과…"암흑물질 후보 윔프(WIMP) 신호 없어" -

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 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 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.
▲ 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 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.
▲ 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

1. 코사인-100 공동연구협력단 : 코사인-100 실험 운영을 위해 구성된 15개 기관 50여 명의 국제공동연구진. 국내에서는 IBS의 주도로 서울대, 고려대 세종캠퍼스, 성균관대, 이화여대, 세종대, 경북대, 한국표준과학연구원, 과학기술연합대학원대학교(UST)가 참여했다. 국외에서는 미국 예일대, 미국 일리노이대, 미국 위스콘신대, 영국 셰필드대, 브라질 상파울로대, 인도네시아 반둥공과대가 참여했다.

Center for Underground Physics (지하실험 연구단)

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    최종수정일 2019-02-18 20:37