암흑물질의 흔적을 포착하는 코사인-100 검출기
한국이 이끄는 국제 공동연구팀이 이탈리아 그랑사소 지하실험실의 다마(DAMA) 실험에서 발견된 신호가 암흑물질의 증거가 아니라는 사실을 검증해 25년 논쟁에 종지부를 찍었다.
기초과학연구원(IBS)은 지하실험 연구단이 이끄는 '코사인-100(COSINE-100)' 국제 공동연구팀이 단독 분석 연구를 통해 DAMA 실험이 포착한 신호가 암흑물질의 증거가 아니라는 사실을 세계 최고 수준의 신뢰도로 입증했다고 4일 밝혔다. 연구결과는 3일(현지시간) 국제학술지 '사이언스 어드밴시스'에 공개됐다.
우주 전체 질량과 에너지의 약 27%를 차지하는 것으로 알려진 암흑물질은 다양한 후보가 제시된다. 약하게 상호작용하는 무거운 입자를 뜻하는 '윔프(WIMP)'는 암흑물질의 유력한 후보 중 하나다.
WIMP는 전자나 양성자보다 훨씬 무겁지만 빛이나 다른 물질과 거의 상호작용하지 않아 검출이 어렵다. 매우 드물게 원자핵과 충돌해 생긴 미약한 섬광을 전기적 신호로 변환하고 초정밀 검출기로 포착하는 방식으로 검증할 수 있다. 암흑물질의 증거 신호를 포착하기 위해서는 지하 깊은 곳에서 우주에서 날아오는 전자기파 등 배경 잡음(노이즈)을 최소화해야 한다.
코사인-100 검출기 모식도. 요오드화나트륨 결정으로 암흑물질을 검출한다
지구가 태양을 공전하면서 은하 내 암흑물질과의 상대속도가 달라진다. 계절에 따라 검출기에 포착되는 충돌 신호의 빈도가 변할 수 있다는 뜻이다. 1998년 DAMA 연구팀은 배경 잡음이 연중 일정하다는 전제하에 관측된 연중 변조 신호가 WIMP의 증거라고 주장했다. 하지만 다른 어떤 실험에서도 DAMA 연구팀이 발견한 신호가 재현되지 않아 해당 신호가 실험 오류인지에 대한 논쟁이 이어졌다.
IBS 지하실험 연구단은 DAMA 실험을 검증하기 위해 2016년 강원도 양양 지하 700m에 있는 지하실험실에서 코사인-100 실험을 시작했다. DAMA 실험과 동일하게 고순도 요오드화나트륨 결정을 활용한 검출기를 써서 실험 간 비교 불확실성을 원천적으로 배제했다.
연구팀은 2016년부터 2023년까지 6년 이상 수집한 데이터를 정밀 분석했다. DAMA와 직접 비교할 수 있도록 신호 측정 방식도 DAMA와 동일하게 적용했다.
그 결과 코사인-100 실험에서는 DAMA가 주장한 암흑물질 연간 변조 신호가 나타나지 않았다. 신뢰도 99.7%를 의미하는 3시그마를 넘는 수준에서 반박하는 결과가 나온 것이다. DAMA 연구팀이 주장한 신호가 암흑물질 때문이 아니며 동일한 실험 조건에서 재현될 수 없음을 명확히 보여주는 사례다.
한국 암흑물질 탐색의 출발점으로 평가되는 강원도 양양 지하 700m 지하실험실 Y2L. 2003년 개소한 국내 최초의 지하실험 전용 시설이다
연구팀은 독립적인 실험을 이어온 스페인 아나이스(ANAIS)-112 실험팀과 교차검증에 나섰다. 아나이스-112 연구팀은 스페인 칸프랑크 지하실험실에서 코사인-100과 마찬가지로 요오드화나트륨 결정으로 신호를 검출한다.
두 연구팀의 6년치 데이터를 종합해 분석한 결과 DAMA가 주장한 신호를 4.68시그마 수준으로 부정했다. 신뢰도 5시그마가 과학계에서 '새로운 발견'으로 인정받는 기준이라는 점을 감안하면 DAMA가 발견한 신호가 암흑물질 때문일 가능성을 일축한 셈이다. 아나이스-112 연구팀과의 교차검증 연구는 최근 국제학술지 '피지컬 리뷰 레터스'에 게재 승인됐다.
실험을 주도한 이현수 지하실험 연구단 부단장은 "수년간의 노력 끝에 한국이 주도한 실험으로 세계 물리학계의 오랜 난제에 답을 제시할 수 있어 기쁘다"라며 "두 독립적인 실험이 같은 결론에 도달한 이번 공동연구는 완벽한 교차 검증의 성공 사례"라고 강조했다.
우주 입자 관측을 위한 지하 요새인 예미랩(Yemilab). 강원 정선 한덕철광 지하 1000m에 위치했다. 2022년 완공돼 기존 양양 지하실험실(Y2L)을 대체한다
김영덕 지하실험 연구단 단장은 "한국이 세계 암흑물질 연구를 이끄는 핵심 주체로 자리매김했음을 보여주는 결과"라며 "예미랩에서 시작될 차세대 실험을 통해 다마 신호의 기원을 밝히고 새로운 암흑물질 탐색을 이어 나갈 계획"이라고 밝혔다. 예미랩은 강원도 정선 지하 1000m 깊이의 실험실이다.
예미랩으로 자리를 옮긴 코사인-100 실험은 성능을 한층 높여 '코사인-100U' 실험으로 확대된다. 새로운 검출기에 섬광 수집 효율을 약 45% 향상한 신기술을 적용해 낮은 질량 암흑물질 탐색 등 새로운 영역에 도전한다.
<참고 자료>
- doi.org/10.1126/sciadv.adv6503
출처 동아사이언스