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[MT리포트]미스터리 우주 암흑물질 실체 누가 먼저 밝힐까

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  • 양양(강원)=류준영 기자
  • 2019.04.22 18:23
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[어둠을 쫓는 과학자들]②세계는 지금 검출기 고도화 각축전…국내 첫 액체 검출기 1100m 지하 ‘정선 ARF’에 설치


요오드화나트룸을 설계한 새로운 실험 장치 코사인 검출기/자료=IBS
요오드화나트룸을 설계한 새로운 실험 장치 코사인 검출기/자료=IBS

‘유령 물질’이란 별칭을 가진 비활성 중성미자부터 윔프, 액시온까지, 눈에 보이지 않는 미스터리한 우주 암흑물질은 누군가에게는 포착되어야만 유의미해진다. 이 이론을 실증하기 위해 전세계 15개국 18개 지하연구소가 도전장을 던졌다.
코사인 실험 검출기의 모습. 검출기 모듈은 그림 a)처럼 가로 200cm, 세로 300cm, 높이 200cm 의 납 차폐체 안쪽에 구리 박스안에 위치한다. 이 차폐체의 벽면은 플라스틱 섬광체 패널(파란색), 납 벽돌(회색) 및 구리박스(황갈색)으로 이뤄진 여러 겹의 차폐체로 구성된다. 윔프의 신호가 아닌 외부 방사선이나 우주선으로부터 오는 신호를 막기 위해서다. 코사인-100 공동연구협력단은 차폐체 내부에 사방으로 약 40cm 두께의 액체섬광체(b)로 검출기를 한 번 더 감싸 안정적인 검출 환경을 구축했다. 검출기에는 캡슐화된 요오드화나트륨 결정 8개가 사용된다(c)/사진=IBS
코사인 실험 검출기의 모습. 검출기 모듈은 그림 a)처럼 가로 200cm, 세로 300cm, 높이 200cm 의 납 차폐체 안쪽에 구리 박스안에 위치한다. 이 차폐체의 벽면은 플라스틱 섬광체 패널(파란색), 납 벽돌(회색) 및 구리박스(황갈색)으로 이뤄진 여러 겹의 차폐체로 구성된다. 윔프의 신호가 아닌 외부 방사선이나 우주선으로부터 오는 신호를 막기 위해서다. 코사인-100 공동연구협력단은 차폐체 내부에 사방으로 약 40cm 두께의 액체섬광체(b)로 검출기를 한 번 더 감싸 안정적인 검출 환경을 구축했다. 검출기에는 캡슐화된 요오드화나트륨 결정 8개가 사용된다(c)/사진=IBS


◇“땅속에서 우주 기원 찾는다”…15개국 18곳 ‘암흑물질 찾기’ 경쟁=가장 규모가 큰 연구시설은 지하 1290m 깊이 암반 아래 위치한 이탈리아 그랑사소연구소(LNGS)이다. 가장 깊은 곳은 2010년 중국 남서부 쓰촨성 지하 2400m 아래에 위치한 CJPL. 중국은 지난 2014년 CJPL 확장공사를 통해 폭 12m, 길이 130m 규모의 실험실 4개를 추가로 설치했다.

캐나다 온타리오주에 위치한 서드베리중성미자관측소(SNO)는 지하 2100m 지점에 건설됐다. 지름 18m에 달하는 거대한 공 모양 구조물에다 정제된 중수 1000톤(t)이 채워져 있다. 중성미자의 흔적인 빛을 감지하는 광센서도 9500개나 설치됐다. 미국 SURF는 사우스다코타주 서부의 홈스페이크 광산에 위치하는 1480m 깊이의 시설이다. 저온 액체 제논 검출기 실험과 뮤온빔을 이용한 중성미자 관측 실험 등이 이뤄지고 있다.

일본 기후현의 카미오카 광산에 위치한 도쿄대학의 우주선연구소(ICRR)는 지하 1000m에 설치된 중성미자 검출 실험연구소로 1966년부터 관측을 시작했다. 일본 연구진은 1968년 이곳에서 중성미자 진동에 관한 최초의 실험적 증거를 제시해 중성미자에 미세하지만 질량이 있다는 사실을 밝혀냈다. 이곳에 1983년 지어진 카미오칸데 검출기는 약 3000톤의 정제된 물을 사용한다. 이 검출기로 1987년 초신성으로부터 온 중성미자 첫 관측에 성공했다.

김영덕 IBS 지하실험연구단장은 “일본은 ‘카미오칸데’와 ‘슈퍼 카미오칸데’ 등의 입자연구시설로 2002년과 2015년 두 차례나 노벨물리학상을 받았다”며 연구시설 투자의 중요성을 강조했다. 슈퍼 카미오칸데 검출기는 카미오칸데 검출기보다 약 20배 더 큰 규모로 지하공간에 물 5만톤을 채우고 약 1만개의 광센서를 배치한 거대 시설이다. 이 검출기로 대기에서 만들어진 중성미자가 변화함을 밝혀냈다.


한덕철광 광산 내 조성될 IBS 지하실험 연구단의 우주입자연구시설 조감도/사진=IBS
한덕철광 광산 내 조성될 IBS 지하실험 연구단의 우주입자연구시설 조감도/사진=IBS

◇양양보다 400m 더 깊게…정선 ARF 첫삽=우리나라는 지하실험시설의 역사가 짧은 데다 강원도 양양 실험실을 제외하면 대부분 비교적 얕은 지하실험실이어서 배경 잡음을 극미량으로 낮추기는 불가능한 환경이다. IBS가 강원도 정선 소재 탄광 지하 1100m에 새로운 우주입자실험시설(ARF)를 만드는 이유다. IBS는 지난 12일 강원도 정선군 신동읍 한덕철광산업 제2수갱 광장에서 정선 우주입자실험시설(ARF) 1단계 터널 공사 착공식을 진행했다.

기존 양양 실험실보다 400m 더 깊은 곳에서, 면적은 양양 실험실 보다 10배 이상 넓은 2000㎡ 규모다. 완공되면 우주선을 효율적으로 차단하며 암흑물질 검출 민감도를 세계 최고 수준으로 높일 수 있다는 게 연구진의 설명이다. 기존 연구시설보다 암흑물질 검출 성능이 최고 5배 가량에 이를 전망이다. 또 고체 검출기와 더불어 액체를 활용한 액체섬광계수기도 구축·운영하기로 했다. 지름 20m, 깊이 15m 크기의 액체섬광체 탱크와 그 주변에 빛 반응을 체크할 광센서 1만개가 설치될 예정이다.

하창현 IBS 연구위원은 “지금까지 암흑물질 검출을 위해 고체 검출기를 사용했다면, 앞으로는 액체 검출기도 함께 가동, 암흑물질 후보 입자를 찾는 데 더욱 속도를 낼 수 있을 것”이라고 말했다. 연구단은 정선 ARF를 2020년까지 구축하고 2021년 초부터 중성미자 실험을 시작할 계획이다.

검출기가 크면 클수록 암흑물질을 검출하는 데 유리하다. 검출기를 크게 만들기 위해선 요오드화나트륨 결정을 크게 제작할 수 있어야 한다. IBS는 지름 40cm, 높이 40cm 정도 되는 결정 10개(1톤급)를 정선 ARF에 설치할 예정이라고 밝혔다. 김두철 IBS 원장은 “고심도 지하에 구축하는 정선 ARF는 우주를 향한 또 다른 한 걸음”이라며 “하루 빨리 고심도 지하실험실에서 우주의 기원과 구조에 대한 본질적인 연구가 수행되기를 바란다”고 말했다.



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