우주의 신비 '암흑물질' 찾는다.. 지하 1000m 실험실 '예미랩' 준공

IBS 지하실험연구단, 중성미자 관측 등 연구
우주선 등 방해 신호 저감 위해 땅속에 구축

강원도 정선군 신동읍 예미산 지하 1000m 깊이에 위치한 IBS 예미랩 내부. 사진=IBS 제공

우주의 비밀을 풀 거대 연구실이 국내 땅속 1000m 깊이에서 문을 열었다.

기초과학연구원(IBS)은 5일 강원도 정선군 신동읍 예미산 한덕철광 부지에서 '예미랩' 준공식을 개최했다.

예미랩 전용 면적은 총 3000㎡ 규모로, 면적만 놓고 볼 때 세계 6위 수준에 달한다. 지하 1000m에 위치한 고심도 지하시설로, 10개 이상의 독립적 실험이 가능한 구조다.

IBS 지하실험 연구단은 지난 2020년 8월 지하 터널공사를 마쳤고, 지난달 주요 실험 공간 구축과 전기 공사 등을 완료했다. 연구단은 이곳에서 '암흑물질'(dark matter) 탐색 연구와 '중성미자 미방출 이중베타붕괴' 연구를 진행할 예정이다.

암흑물질은 우주의 26.8%를 차지하지만, 아직 그 정체가 밝혀지지 않은 물질이다. 우주에 널리 퍼져있지만 만질 수 없고, 관측되지도 않아 베일에 쌓여 있다.

연구단은 암흑물질 후보로 거론되는 '윔프'(WIMP·약하게 상호작용하는 무거운 입자)에 주목하고 있다. 순수한 NaI(아이오딘화나트륨) 결정을 이용한 검출기를 활용, 지구로 날아온 암흑물질과 검출기의 원자핵이 충돌하는 과정에서 암흑물질의 흔적을 탐색하는 게 목표다.

연구팀은 이 외에도 중성미자의 성질을 규명하기 위해 '마요라나 페르미온' 입자 여부를 확인하는 연구를 수행할 방침이다. 마요라나 페르미온은 이탈리아의 물리학자 마요라나가 1937년 발표한 입자로, 발표 이후 80년이 지난 현재까지 관측되지 않고 있다.

빅뱅 직후 우주에서 물질과 반물질이 함께 만들어졌지만, 어떻게 물질만 비대칭적으로 남아 현재의 우주를 구성했는지는 밝혀지지 않았다. 중성미자 성질 규명은 현재의 우주가 어떻게 구성됐는지 설명할 수 있는 핵심 열쇠로 꼽힌다. 연구팀은 몰리브덴(Mo) 동위원소를 이용해 '중성미자가 방출되지 않는 이중 베타 붕괴(double β decay) 현상'을 확인하는 게 목표다.

강원도 정선군 신동읍 예미산 지하 1000m 깊이에 위치한 IBS 예미랩 '중성미자 검출기' 설치 예정 장소. 사진=IBS 제공

이 같은 연구들을 위해 예미랩은 지하 1000m 깊이에 구축됐다. 암흑물질과 중성미자가 내는 신호는 포착하기 매우 어렵기 때문에 배경잡음(우주선 등)을 최대한 줄일 수 있는 연구 환경이 필수적이다. 지하에 연구실을 만들면 지표면 대비 약 100만분의 1 수준으로 방해 신호를 줄일 수 있어 실험에 유리하다. 또 터널 자체에서 나오는 방사능 수치도 다른 실험실에 비해 현저히 낮다는 게 장점이다.

연구단은 한국지질자원연구원, 한국원자력연구원, 한국표준과학연구원, 국가수리과학연구소, 경북대학교, 기상청 등과도 예미랩을 공동 활용할 방침이다.

김영덕 IBS 지하실험 연구단장은 "그동안 강원도 양양군 지하 700m 연구실에서 실험을 해왔으나, 시설의 깊이와 크기 모두 한계인 상황"이라며 "양양실험실의 장비를 예미랩에 이전해 우주의 근원을 탐구하는 연구를 본격적으로 수행하겠다"고 말했다.

예미랩 개요도. 사진=IBS 제공