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어제의 라이벌, 오늘의 동료. 세계 최대 지하 실험시설을 운영하며 암흑물질 연구에서 굵직한 성과를 내온 이탈리아 그란사소 국립연구소(LNGS)와 한국 기초과학연구원(IBS)의 얘기다. 우주의 미스터리인 암흑물질를 두고 수년째 대립하던 두 기관이 지난달 30일 한 식구가 됐다. 공동 연구센터를 꾸려 아예 함께 암흑물질을 찾기로 한 것이다.
새마을금고 채용알도 이안니 LNGS 국제협력 책임자는 공동 연구센터(GCND) 개소식에서 “IBS의 연구 결과는 매우 확고해 저 역시 동의한다”며 “우리 측 암흑물질 실험이 주장한 연중 변조 신호의 기원을 규명하고 암흑물질 연구를 진전시키기 위해 양측 협력이 필요하다”고 말했다. 김영덕 IBS 지하실험연구단 단장은 “상반된 결과를 내온 양 연구기관이 공동 센터 저신용대출상품 를 만든 것은 논란을 종결하고, 새로운 암흑물질 검출 기술을 개발하자는 뜻”이라고 설명했다.
◇같은 장치로 실험, 경쟁자 반박한 한국
과학자들은 우주에서 별이나 행성처럼 빛을 내거나 반사해 우리가 관측할 수 있는 물질은 5%에 불과하고 68%는 우주가 팽창하도록 밀어붙이는 암흑에너지, 27%는 빛을 내지 않으면서 물체를 정보제공은행 끌어당기는 암흑물질로 본다. 아직 암흑물질이 무엇인지, 어떻게 작용하는지는 밝혀지지 않았다.
IBS 지하실험 연구단은 강원도 정선 지하 1000m에 위치한 국내 유일의 고심도 연구시설 ‘예미랩’에서 암흑물질을 탐색해왔다. 이들은 최근 LNGS의 대표 실험인 다마(DAMA) 결과를 정면으로 반박해 국제 학계의 주목을 받았다. 연구 결과는 지 주말특가 난 9월 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스’에 실렸다.
관심의 중심은 암흑물질 후보로 지목된 윔프(WIMP·약하게 상호작용하는 무거운 입자)다. 전자보다 훨씬 무겁지만 다른 물질과 거의 반응하지 않아 잡아내기 어려운 입자를 말한다. 지하 깊은 곳으로 들어가는 이유도 이 때문이다. 우주에서 오는 방사선과 같은 잡음을 산 자체로 차단한 다음, 창업보육전문매니저 윔프가 원자핵을 건드려 내는 미세한 섬광을 전기 신호로 바꿔 포착하는 방식이다.
국내 유일의 암흑물질 탐색 연구 지하 실험실 '예미랩.'/기초과학연구원(IBS)
지구가 태양 둘레를 돌면서 은하 내 암흑물질과 상대속도가 달라지고, 그에 따라 검출되는 신호의 빈도도 계절에 따라 변할 수 있다. LNGS의 다마 연구팀은 1998년 요오드화나트륨(NaI) 검출기로 이와 같은 연중 변조 신호를 관측했고, 이를 윔프의 존재 증거라고 주장했다. 하지만 다른 연구진이 같은 결과를 재현하지 못해 “실험 오류 아니냐”는 논란이 이어졌다.
IBS가 이끄는 국제 공동 연구팀 ‘코사인-100(COSINE-100)’은 다마 주장을 검증했다. 2016년 강원도 양양에 있는 지하 700m 실험실에서 이탈리아와 같은 검출기를 사용해 실험했다. 2016~2023년 6년치 데이터를 이탈리아 연구진과 같은 방식으로 분석한 결과, 연중 변조 신호는 검출되지 않았다.
스페인 연구진도 지하 실험실에서 같은 방식으로 실험해 동일한 결론을 냈다. 이탈리아 측이 포착한 신호가 암흑물질 때문일 가능성을 사실상 배제한 것이다. IBS와 스페인 연구진과의 교차분석 연구는 국제 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’에 게재가 승인됐다.
◇공동 센터 “같이 만들고 같이 검증한다”
한국과 이탈리아가 공동 설립한 연구센터는 양국이 각자 역할을 맡아 운영된다. 한국은 미지의 암흑물질 신호를 검출할 요오드화나트륨 결정을 정제하고, 이탈리아는 결정 성장과 방사능 측정을 맡는다.
이안니 박사는 “암흑물질의 희귀 신호를 찾으려면 라돈 같은 방사성 기체를 차단하고, 검출기를 청정하게 유지하는 공정이 핵심”이라며 “한국이 재료를 최대한 깨끗하게 만들면, 이탈리아가 이를 키우고 검증해 최종 검출용 시료를 만든다”고 설명했다. 이 시료를 기반으로 감도를 높인 차세대 검출기도 함께 개발할 예정이다.
이안니 박사는 “한국 예미랩(지하 1㎞)과 이탈리아 LNGS(1.4㎞)는 깊이가 달라 방사선 환경 차이도 비교할 수 있다”며 “지하 생물 반응 연구는 희귀 입자 실험 환경을 이해하고, 나아가 우주 실험 설계에도 참고가 된다”고 말했다.
윔프에서 확실한 성과가 나오지 않자, 연구자들은 시야를 넓히고 있다. 질량이 더 낮은 저질량 암흑물질, 또는 액시온(axion)·액시온 유사입자(ALP) 등이 새 후보로 떠올랐다. 이들은 윔프처럼 원자핵과 충돌해 흔적을 남기는 방식이 통하지 않는 만큼, 자기장·전자기장·공명 현상 등을 활용한 간접 검출이 필요하다.
이안니 박사는 “암흑물질이 단일 입자일 거라는 보장은 없다”며 “일반 물질처럼 여러 종류가 섞여 있을 수도 있다”고 말했다. 그는 “천문 관측과 결합해 후보 범위를 줄이는 것이 연구 방향을 잡는 데 중요하다”며 “앞으로 10년 안에 어떤 검출 방식이 가장 효과적인지 가려질 것”이라고 했다.
이탈리아 국립핵물리연구소(INFN) 산하 그란사소 국립연구소(LNGS) 보렉시노 연구팀이 CNO 태양중성미자를 검출하는 데 사용한 장비./LNGS
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