저에너지 영역에서의 암흑물질 탐색이 가시적 성과를 거두며 연구의 지평이 한층 확장됐다. 기초과학연구원(IBS, 원장 직무대행 김영덕) 지하실험 연구단(단장 김영덕)이 이끄는 코사인-100(COSINE-100)¹⁾ 국제공동연구진은 3년간의 관측 데이터를 정밀 분석해 낮은 질량 윔프(WIMP)²⁾ 탐색의 민감도를 세계 최고 수준으로 끌어올렸다. 이번 연구는 머신러닝(Machine Learning) 기술을 도입해 탐색 가능한 에너지 한계를 획기적으로 낮추며, 그동안 충분히 탐구되지 않았던 저에너지 암흑물질 분야에서 향후 연구 확장을 위한 중요한 발판을 마련했다.

암흑물질의 유력한 후보인 윔프(WIMP) 탐색은 전 세계적으로 치열한 경쟁이 벌어지고 있는 분야다. 특히 최근에는 기존의 무거운 윔프뿐만 아니라, 아직 탐색이 미진한 10 GeV(기가전자볼트) 이하의 ‘가벼운 암흑물질’ 영역이 새로운 블루오션으로 떠오르고 있다. 이 영역을 탐색하려면 검출기에서 발생하는 극도로 미약한 저에너지 신호를 잡음과 구분해 내는 고도의 기술력이 필수적이다.

연구진은 이번 분석에서 머신러닝 기반의 신호 판별 기술을 새롭게 도입해 기술적 난관을 돌파했다. 검출기에서 발생하는 미세한 빛 신호의 파형을 인공지능으로 정밀 분석함으로써 기존 방식으로는 구분하기 어려웠던 잡음과 실제 신호를 0.7 keV(킬로전자볼트)의 초저에너지 영역까지 정확히 분리해 내는 데 성공했다. 이는 암흑물질이 만들 수 있는 가장 희미한 신호까지 포착할 수 있는 독자적인 기술력을 확보했음을 의미한다.

확보된 저에너지 데이터를 바탕으로 가벼운 암흑물질의 흔적을 정밀 추적한 결과, 연구진은 다음과 같은 획기적인 성과를 얻었다. 먼저, 스핀 의존(Spin-Dependent) 상호작용 분석³⁾에서는 2.5 GeV 질량 영역에서 세계 선도 그룹과 어깨를 나란히 하는 최고 수준의 검출 제한값을 확보했다. 특히, 원자핵과 암흑물질이 충돌할 때 전자가 방출되는 ‘미그달(Migdal) 효과⁴⁾’를 분석에 새롭게 포함하여, 탐색 가능 범위를 1 GeV 이하의 가벼운 암흑물질 영역까지 대폭 확장하는 데 성공했다. 이는 그동안 탐색이 어려웠던 사각지대를 밝힐 수 있는 중요한 교두보를 마련한 것이다.

또한, 스핀 독립(Spin-Independent) 상호작용 분석⁵⁾에서도 기존 코사인-100 분석 결과 대비 약 10배 향상된 검출 민감도를 달성했다. 이 향상된 민감도를 바탕으로, 연구진은 이탈리아 다마(DAMA) 실험이 주장해 온 암흑물질 신호 영역(3시그마 허용 영역) 전체에서 윔프 신호가 존재하지 않음을 확인하며, 지난 9월의 연간 변조 분석에 이어 또 다른 방식(표준 윔프 모델)으로도 DAMA 주장이 성립하지 않음을 검증하는 성과를 거뒀다.

코사인-100 공동대표인 이현수 박사(IBS 지하실험 연구단 부연구단장)는 “이번 연구의 핵심은 머신러닝을 통해 기존 한계를 뛰어넘는 저에너지 탐색 능력을 확보하고, 이를 통해 가벼운 암흑물질 탐색의 새로운 가능성을 열었다는 데 있다”라며, “특히 미그달 효과를 적용해 1 GeV 이하 영역까지 탐색 범위를 확장한 것은 향후 암흑물질 연구의 중요한 이정표가 될 것”이라고 강조했다.

한편, IBS 지하실험 연구단은 2023년 양양에서의 실험 종료 후, 성능을 대폭 업그레이드한 후속 실험 코사인-100U(COSINE-100 Upgrade) 검출기를 강원도 정선 예미랩(Yemilab)으로 이전하여 2025년 9월부터 본격 가동하고 있다. 코사인-100U는 섬광 수집 효율을 약 45% 향상시킨 고감도 검출기를 통해, 향후 20 MeV(메가전자볼트) 수준의 극저질량 암흑물질까지 탐색 영역을 넓혀 나갈 계획이다. 이는 아직 인류가 닿지 못한 미지의 암흑물질 영역을 개척하는 새로운 전기가 될 것으로 기대된다.

이번 연구 결과는 물리학 분야 세계적 권위지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters, PRL)’에 12월 2일 게재됐다.

그림 설명

[그림 1] 코사인 검출기의 모식도
(a) 검출기 모듈. 2m×3m×2m 크기 납 차폐체 안에 구리박스가 있고, 구리박스 내에 광증배관이 부착된 검출기가 액체섬광체로 둘러싸여 있다. 이 차폐체의 벽면은 플라스틱 섬광체 패널(파란색), 납 벽돌(회색) 및 구리박스(황갈색)로 이뤄진 여러 겹의 차폐체로 구성된다. 윔프 신호가 아닌 외부 방사선이나 우주선으로부터 오는 신호를 막기 위해서다. (b) 사방 약 40cm 두께의 액체섬광체. 차폐체 내부에서 검출기를 한 번 더 감싸 안정적인 검출 환경을 구축한다. (c) 구리로 캡슐화된 광증배관이 부착된 검출기. 광증배관과 함께 구리로 캡슐화된 요오드화나트륨 결정을 보여주며 이와 같은 검출기 8개가 설치되어 있다. 입자가 결정에 부딪힐 때 발생하는 빛(가시광선) 알갱이가 광증배관을 통해 전기신호로 증폭되어 신호를 확인할 수 있다.

[그림 2] 코사인 데이터에서의 윔프 신호 탐색 결과
코사인-100 실험은 초기 3년간 수집한 데이터를 바탕으로 윔프(WIMP) 암흑물질의 스핀 의존(Spin-dependent) 및 스핀 독립(Spin-independent) 상호작용 모델에 대한 탐색 결과를 발표했다. 본 결과에서 가로축은 윔프의 질량, 세로축은 윔프의 핵자 반응 단면적을 나타낸다.
(a) 스핀 의존 모델에서 코사인-100 검출기와 윔프 간의 핵자 충돌 신호를 탐색한 결과, 수 GeV의 낮은 질량 영역에서 세계적으로 경쟁력 있는 민감도를 달성하였으며, 특히 2.5 GeV 질량 영역에서는 세계 최고 수준의 탐색 성능을 확보하였다. 또한 윔프 충돌 과정에서 발생하는 미그달(Migdal) 효과를 이용한 탐색을 통해, 탐색 가능 질량 영역을 수백 MeV 수준의 매우 낮은 질량 영역까지 확장하였으며, 이 역시 경쟁력 있는 성과를 보였다. 더 나아가, 최근 데이터 수집을 시작한 차세대 코사인-100U 검출기의 성능을 가정한 경우, 해당 낮은 질량 암흑물질 영역의 상당 부분에서 세계 최고 수준의 탐색 결과를 보여줄 것으로 기대된다.
(b) 스핀 독립 모델에서 윔프 신호를 탐색한 결과, 이전의 1.7년 데이터를 이용한 분석 대비 10배 정도 향상된 검출 민감도를 달성하였으며, 이를 통해 다마 실험에서 주장한 윔프 신호의 영역을 완전히 배제하였음을 확인할 수 있다.

[사진 1] 경쟁력 있는 윔프 탐색 결과를 발표한 코사인-100 국제 공동 연구진
낮은 질량 영역에서 경쟁력 있는 윔프 탐색 결과를 발표한 코사인-100 국제 공동 연구진의 모습이다. 기초과학연구원(IBS) 지하실험 연구단을 중심으로 대한민국, 미국, 영국, 브라질, 인도네시아 등 5개국 19개 기관의 연구자들이 참여하고 있다. 이번 성과는 수년간 이어진 긴밀한 국제 협력과 끈기 있는 데이터 분석의 결실이다.

[사진 2] 암흑물질의 흔적을 포착하는 코사인-100 검출기
다마 실험을 검증하고, 윔프 암흑물질을 탐색하기 위해 다마 실험과 동일한 물질로 제작된 코사인-100의 고순도 요오드화나트륨 결정 검출기의 배열이다. 총 106kg에 달하는 이 검출기들은 암흑물질 후보인 윔프가 결정 속 나트륨이나 요오드 원자핵과 충돌할 때 발생하는 아주 작은 빛 신호를 감지하도록 설계되었다. 극도로 희귀한 신호를 포착하기 위해, 검출기들은 2,200리터의 액체섬광체에 잠겨 외부 방사선을 효과적으로 차단하는 등 다중 차폐 구조 속에서 운영된다.

1) 코사인-100(COSINE-100): IBS 지하실험 연구단이 주도하는 국제 공동 암흑물질 탐색 실험. 강원도 양양 지하 실험실(Y2L)에서 2016년부터 2023년까지 총 106kg의 고순도 요오드화나트륨(NaI(Tl)) 결정을 이용하여 암흑물질 탐색을 수행했다.

2) 윔프(WIMP, Weakly Interacting Massive Particles): 암흑물질의 가장 유력한 후보 입자 중 하나로, 전자기적 상호작용을 하지 않고 중력과 약한 상호작용만 하는 가상의 입자다.

3) 스핀 의존(Spin-Dependent) 상호작용 분석: 암흑물질이 원자핵과 충돌할 때 원자핵이 가진 ‘스핀(회전 성질)’에 따라 신호가 달라지는 경우를 분석하는 방식이다.

4) 미그달 효과(Migdal Effect): 중성입자인 암흑물질이 원자핵과 충돌할 때, 원자핵이 밀려나면서 순간적으로 전자구름의 중심과 어긋나 전자가 이온화되거나 들뜨는 현상. 이 효과를 이용하면 관측하기 어려운 가벼운 암흑물질의 신호도 포착할 수 있다.

5) 스핀 독립(Spin-Independent) 상호작용 분석: 암흑물질이 원자핵 전체와 스핀과 상관없이 동일하게 상호작용하는 경우를 분석하는 방식이다.