'암흑물질' 유력 후보, 한국이 찾아낸다…8월 첫 실험 착수

암흑물질은 우주의 27%를 구성하고 있는 것으로 추측되지만, 어떤 물질과도 반응하지 않아 지금까지 정체가 정확히 밝혀지지 않은 미지의 물질이다. /사진=게티이미지뱅크

강원 정선군 예미산 지하 1000m, 국내 유일 지하실험실 '예미랩'에서 암흑물질의 정체를 밝히기 위한 첫 기초물리실험이 시작된다. 2018년 암흑물질의 강력한 후보인 '윔프(WIMPs)' 입자를 검출할 수 있는 실험 장치를 자체 기술로 개발한 국내 연구팀이 이번엔 기존보다 성능을 더 높인 장치로 암흑물질 발견에 도전한다.

암흑물질은 우주의 27%를 구성하는 것으로 추측되지만, 어떤 물질과도 반응하지 않아 지금까지 정체가 정확히 밝혀지지 않은 미지의 물질이다. 오는 8월 기초과학연구원(IBS) 지하실험 연구단이 암흑물질 탐색 실험인 '코사인(COSINE)'에 본격적으로 착수한다. 6월 10~14일 사이 성능을 고도화한 암흑물질 검출기를 설치한다. 이는 2022년 말 예미랩 완공 이래 진행되는 첫 기초물리 실험이다.

예미랩은 강원 정선 예미산 지하 1000m 아래 지어진, 규모로 보면 세계 6위를 차지하는 지하실험시설이다. 깊은 땅속에 위치한 만큼 우주로부터 날아와 지상에 떨어지는 우주방사선의 영향을 차단할 수 있다. 연구팀은 이런 환경 속에서 다른 우주 입자의 방해 없이 암흑물질로 추정되는 신호만을 정밀하게 잡아낸다.

강원 정선 예미산 지하 1000m 아래 지어진 세계 6위 규모의 지하실험시설 '예미랩'의 내부 모습. /사진=IBS

현재까지 가장 유력한 암흑물질 후보는 고(故) 이휘소 박사가 처음 제안한 가상의 입자 '윔프'다. '약하게 상호작용하는 무거운 입자(Weakly Interacting Massive Particles)'의 준말이다. 입자 하나의 무게가 수소 원자의 100배일 정도로 무거우며, 우주 생성 초기에 만들어진 후 다른 물질과 상호작용하거나 붕괴하지 않고 안정적인 상태를 유지하는 물질로 여겨진다.

지금으로부터 약 26년 전인 1998년, 이탈리아의 '다마(DAMA)' 연구팀이 처음으로 윔프를 관측했다는 연구 결과를 발표해 화제가 됐다. 초속 약 200㎞(킬로미터)의 빠른 속도로 지구를 향해 날아오는 윔프 입자를 요오드화나트륨(NaI(Tl)) 결정에 투과하면 입자가 원자핵과 충돌하며 에너지가 발생한다. 이때 순간적으로 밝은 빛이 생기는데 이 빛을 측정하면 윔프의 존재를 입증할 수 있다는 것이다. 당시 다마 연구팀은 지구 공전 주기(1년)에 따라 상대속도가 달라지는 윔프의 신호(연간 신호 변화)를 관측했다고 주장했다.

하지만 이 연구 결과는 그로부터 20년 뒤인 2018년 국내 연구팀에 의해 뒤집혔다. 이현수 IBS 지하실험연구단 부연구단장이 이끄는 '코사인' 연구팀이 자체 개발한 암흑물질 검출기로 2달 간 쌓은 데이터를 활용해 다마 팀의 연구를 교차 검증, 다마 팀이 관측한 신호의 패턴은 윔프의 신호와는 차이가 있다는 결과를 국제 학술지 '네이처'에 발표했다.

그로부터 약 6년이 지난 2024년, 코사인 연구팀이 새로운 검증에 돌입한다. 이현수 IBS 지하실험연구단 부연구단장은 10일 "이번 주부터 기존보다 성능을 높인 새 검출기를 설치하기 위한 작업에 돌입한다"고 밝혔다. 이를 통해 기존 검출기로는 잡아내기 어려웠던, 에너지가 낮은 물질의 신호까지 포착할 수 있을 것으로 기대된다. 이 부단장은 "주파수로 치면 이전엔 듣지 못하던 소리를 들을 수 있게 된 것"이라며 "낮은 에너지 영역에선 세계 최고 수준의 결과를 얻을 수 있을 것"이라고 설명했다.

그는 "두 달에 걸친 데이터를 분석한 2018년의 연구 결과로는 다마 팀의 연구를 완벽히 교차 검증했다고 볼 수 없었다"며 "그간 6~7년의 데이터가 쌓인 만큼, 이번엔 연간 신호 변화까지 분석해 보다 정밀한 검증 결과를 낼 수 있을 것"이라고 전망했다.

박건희 기자 wissen@mt.co.kr