암흑물질 후보 'WIMP 발견' 20년 논란 해결 실마리 찾았다

이 결과는 IBS 지하실험연구단이 2016년부터 강원도 양양 지하 700ｍ 실험실에서 DAMA 팀의 실험을 검증하기 위해 그들이 사용한 것과 같은 물질과 실험방법으로 해온 '코사인-100 실험'의 초기 59.5일간(2016.10.20~12.29) 데이터를 분석해 얻은 결론이다.

이현수 IBS 지하실험연구단 부연구단장은 "암흑물질 발견은 우리가 아는 모든 물리 지식에 영향을 줄 놀라운 사건"이라며 "DAMA 실험을 완벽히 재현할 검출기를 자체 개발해 독립적인 실험을 시작했다는 것 자체에 학계가 주목했다"고 말했다.

우주를 구성하는 요소들을 밝혀내는 것은 과학계 최대 과제 중 하나다. 우주 구성 요소 중 별과 행성, 사람과 사물 등 일반 물질은 전체의 4.9%에 불과하다. 나머지 95.1% 중 26.8%는 암흑물질, 68.3%는 암흑에너지로 구성된 것으로 추정되지만 아직 그 존재가 규명되지 않았다.

암흑물질과 암흑에너지에서 '암흑'(dark)은 말 그대로 무엇인지 모른다는 의미다. 과학자들은 암흑물질 후보 입자를 찾기 위해 노력 중이며 이론적으로 몇 개의 가상 입자가 암흑물질 후보로 제시됐다.

WIMP도 그중 하나다. 지금까지 WIMP의 흔적을 발견했다고 주장하는 연구팀은 이탈리아 그랑사소 입자물리연구소를 중심으로 한 국제공동연구팀뿐이다. 이들은 1995년부터 지하실험실에서 200㎏의 요오드화나트륨(NaI) 결정을 이용해 WIMP 신호를 찾는 DAMA 실험을 시작해 1998년 계절에 따라 변하는 신호를 발견, 이를 낮은 질량의 WIMP라고 주장했다.

이들은 지구가 공전궤도를 지날 때 서로 다른 암흑물질 지역을 통과하면서 신호가 달라진 것을 포착한 것이라고 설명하고 있으니 지금까지 세계 어느 팀도 DAMA팀이 측정한 에너지 범위에서 WIMP 신호를 발견하지 못했다.

코사인-100 공동연구협력단은 DAMA 실험을 똑같이 재현하는 검증 실험을 하면서도 실제로 WIMP 신호가 있을 경우 이를 더욱 정밀하게 검출할 수 있도록 실험 물질과 장비 등의 품질과 성능을 향상했다.

이 실험은 기본적으로 초속 수백㎞로 우주공간에서 날아오는 암흑물질 입자가 고순도 요오드화나트륨 결정 내부의 요오드 원자핵이나 나트륨 원자핵과 충돌할 때 방출되는 광자를 포착해내는 것이다.

코사인 연구진은 암흑물질 입자 외의 다른 우주방사선이나 환경 방사능 등의 영향을 최소화하기 위해 지하 700ｍ 동굴에 실험장치를 하고, DAMA 실험에서 사용된 것과 비슷한 순도의 요오드화나트륨 결정 106㎏을 고체 차폐체와 액체 차폐체를 이용해 이중으로 감싸 DAMA팀보다 안정적인 검출환경을 만들었다.

연구진은 논문에서 코사인-100 검출기가 초기 59.5일간 확보한 데이터 분석 결과를 공개했다. 결론은 DAMA 실험에서 포착된 것이 실제 WIMP 신호라고 가정할 경우 이 기간에 1천200번의 신호가 포착돼야 하지만 검출기에서는 이런 신호가 검출되지 않았다는 것이다.

이는 DAMA팀이 발견했다고 주장하는 신호가 암흑물질에 의해 발생한 것이 아닐 수 있다는 가능성을 제시, 20년간 계속돼온 WIMP 발견 논란을 최종적으로 검증할 수 있는 길을 연 것이라고 연구진을 밝혔다.

하창현 IBS 지하실험연구단 연구위원은 "이 결과는 유일하게 WIMP를 발견했다고 주장하는 DAMA 실험을 최종적으로 부정하는 것은 아니지만 초기 데이터 분석만으로도 그 개연성을 충분히 보여줬다"며 "코사인 연구단이 2021년부터 강원도 정선 1천100ｍ 지하실험실에서 계속할 실험을 통해 향후 5년 안에 DAMA 팀의 주장을 완벽히 검증 또는 반박할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.