우주 암흑물질 후보의 수수께끼를 푸는 데 한 발 다가서는 핵심 작업이 마무리됐다. 3년 후에 암흑물질의 최종 진위 여부가 가려질 것으로 예상된다.
기초과학연구원(IBS) 지하실험연구단은 국제공동 연구팀이 암흑물질 후보의 연간 신호를 분석하고, 검증 신뢰도(1시그마=68.3%)를 확보했다고 22일 밝혔다.
암흑물질은 우주의 약 27%를 차지하는 것으로 추정되지만, 지금까지 암흑물질의 흔적을 발견한 연구는 이탈리아 그랑사소 지하실험실의 '다마(DAMA) 실험'이 유일하다. 이 실험을 통해 암흑물질 후보인 '웜프'가 발견됐지만, 다마 실험을 재현하기 까다로워 웜프의 존재 여부는 아직까지 밝혀지지 않고 있다.
지하실험연구단은 2016년 9월 다마 실험 재현을 위한 '코사인-100' 실험을 시작했으며, 다마와 동일한 고순도 요오드화나트륨 결정 제작에 성공했다. 이는 다마 실험과 동일한 조건에서 연간 변환하는 입자 신호를 측정해 완벽하게 검증할 수 있는 최초의 실험이라는 점에서 학계의 주목을 받았다.
연구팀은 코사인 실험 착수 59.5일 동안의 입자 신호를 기반으로 다마 실험이 틀렸을 가능성이 있다는 연구결과를 지난해 국제 학술지 '네이처'에 실었다.
연구팀은 코사인-100 실험에서 암흑물질의 완벽한 검증을 위해 연간변조신호를 처음으로 분석한 결과, 다마 실험에서 20년 간 축적한 입자 신호가 이번에 재현한 실험에서 관측한 신호의 오차범위 내에 있는 것을 확인했다. 이탈리아 다마 실험에서 관측한 신호가 암흑물질일 가능성이 있다는 것을 뒷받침한 결과라는 게 연구팀의 설명이다.
이번 분석결과는 1시그마(68.3%)를 약간 상회하는 신뢰도로, 코사인-100 실험의 중간보고 단계라 할 수 있다. 연구팀은 이 추세라면 3년 안에 데이터 신뢰도 3시그마(99.7%)를 달성해 다마 실험을 완벽하게 검증할 수 있을 것으로 예상하고 있다. 3년 후 코사인 실험이 다마 실험과 다른 관측을 하면, 다마 팀이 관측한 것은 웜프가 아니라는 것이다. 이 경우 다마 실험에서 관측된 신호가 무엇인지를 연구팀은 지속적으로 연구할 계획이다.
이현수 지하실험연구단 부연구단장은 "이번 연구는 다마 실험과 동일한 고순도 결정 검출기에서 데이터를 얻어 동일한 분석방법을 적용한 최초의 실험이라는 데 의미가 있다"며 "완벽한 검증까지 3년이 걸릴 것으로 보이는 만큼 그 과정에서 추가로 얻은 신호와 분석 방식에 따라 향후 다마를 뒷받침하거나 반박하는 해석이 나올 것"이라고 말했다.
한편 이 연구결과는 미국 물리학회가 발행하는 학술지 '피지컬 리뷰 레터스(지난 17일자)'에 실렸다.대전=이준기기자 bongchu@dt.co.kr
IBS 지하실험연구단이 코사인-100 실험을 수행하고 있는 강원 양양의 지하실험실 모습으로, 지하 700m 에 위치하고 있으며, 암흑물질 후보인 웜프를 관측하는 실험이 진행되고 있다.
