정선군 철광에 '우주입자연구시설' 들어선다

우주입자연구시설 지하실험실 구축 조감도/사진=IBS

기초과학연구원(IBS) 지하실험 연구단이 강원도 정선군 철광 지하 1100m에 ‘우주입자연구시설’을 구축한다.


IBS는 우주입자연구시설 구축을 위해 정선군, 한덕철광과 17일 강원도 정선군청에서 업무협력협정(MOU)을 체결한다고 16일 밝혔다.

연구단은 새롭게 짓게 되는 우주입자연구시설에서 암흑물질의 발견과 유령입자로 불리는 중성미자의 질량 측정 및 성질 규명에 도전한다.

‘암흑물질’은 우주를 구성하는 총 물질의 27%를 차지하고 있고, 전파·적외선·가시광선·자외선 ·X선·감마선 등과 같은 전자기파로도 관측되지 않고 오로지 중력을 통해서만 존재를 인식할 수 있는 물질을 말한다. 암흑물질 후보는 윔프(WIMP), 액시온(Axion) 등이 있다.

‘중성미자’는 우주에서 광자(빛) 다음으로 가장 많은 기본입자다. 전자·뮤온·타우 등 3가지 중성미자가 있다. 다른 입자에 비해 질량이 매우 작아 질량이 있다는 것만 확인됐을 뿐, 정확한 수치는 측정된 바 없다.

우주입자연구시설 조감도/사진=IBS

IBS 지하실험 연구단에 따르면 우주입자연구시설은 정선군 신동읍 예미산 일대 한덕철광의 철광 지하 1100m 아래에 약 2000㎡ 규모로 지어지며, 2019년 완공이 목표다. 이는 양양 양수발전소에 위치한 기존의 지하 실험시설보다 400m 더 깊이 내려간 것이다.

우주입자연구시설 조성에는 210억 원이 투입되며, 본격적인 실험은 2020년부터 진행될 예정이다.

암흑물질 검출과 중성미자 질량 측정은 우주의 기원과 물질의 존재를 이해하는 데 관건이 된다. 현대물리학 최대 과제로 꼽히는 만큼 노벨물리학상 0순위 후보로 거론되고 있다.

암흑물질과 중성미자가 내는 신호는 포착하기 매우 어렵기 때문에 실험 환경에서 우주선 등의 배경잡음을 최대한 줄여야 한다. 주변이 조용해야 미세한 소리를 들을 수 있는 원리와 같다. 이 때문에 전 세계 과학자들이 경쟁적으로 지하 깊은 곳에 검출장치를 설치하고 있다.

2015년 노벨물리학상을 수상한 가지타 다카아키 일본 도쿄대 교수는 거대 실험장치 ‘슈퍼-카미오칸데’를 폐광 지하 1000m 아래에 설치하고 중성미자 진동현상을 관측했다.

연구단이 연구시설과 새 장비를 모두 갖추면, 중성미자 질량 검출 수준(민감도)은 약20meV(밀리전자볼트, 입자 에너지를 나타내는 용어)로 크게 향상된다.

현재 양양 실험실에서 수행하고 있는 초기단계 실험의 검출 수준은 약 200meV 정도며 중성미자 질량은 측정이 어려울 만큼 작기 때문에 검출 질량의 수준을 낮춰야 측정 가능성이 높아진다. 현재 세계 최고 수준의 민감도는 100meV로 알려져있다.

연구진은 이번 시설을 통해 암흑물질의 경우 지금보다 우주선을 5배 이상 차단할 수 있어 암흑물질의 신호를 발견할 확률을 더욱 높일 수 있다고 밝혔다.

지하실험 연구단은 현재 강원도 양양군에 있는 한국수력원자력 양양 양수발전소의 협조로 지하 700m 아래 300㎡ 규모 실험실에서 천체입자 물리학 분야 실험을 수행중이다. 하지만 연구시설의 깊이와 크기 모두 한계에 이르렀다는 게 IBS측의 설명이다.

연구단은 “새 연구시설이 구축되면 세계적 연구그룹과 경쟁할 만한 연구 환경이 조성될 것”이라며 “연구시설에는 IBS의 실험장비 뿐 아니라 타 연구기관들의 장비들도 설치될 예정”이라고 설명했다. 연구단은 이를 통해 국내외 협업연구 비중이 크게 증가할 것으로 기대했다.

김영덕 연구단장은 “우주입자연구시설이 완공되면 천체입자물리학 분야가 한 단계 도약하고, 세계적인 연구 성과를 창출할 수 있을 것”이라고 말했다. 정선군은 이 시설을 통해 지역 경제발전에도 큰 도움이 될 것으로 기대했다.

현재 연구단은 중성미자의 성질을 초저온냉동기 내 설치된 검출기로 관측하는 실험과 우주 구성과 탄생의 비밀을 지닌 암흑물질을 탐색하는 코사인(COSINE) 실험 등을 수행하고 있다.