IBS, 1100m 지하에서 암흑물질·중성미자 비밀 캔다

국내 연구진이 지하 1100m 아래에 연구 시설을 구축하고 '노벨상 0순위'로 꼽히는 암흑물질 검출과 중성미자 질량 측정에 도전한다.

기초과학연구원(IBS) 지하실험연구단(단장 김영덕)은 강원도 정선군 신동읍 예미산 일대 철광 지하 1100m 아래에 약 2000㎡ 규모의 우주 입자 연구시설을 2019년까지 구축한다고 16일 밝혔다.

연구단은 기존 강원도 양양군 양수발전소 지하 실험시설보다 400m 더 깊이 내려가 아직 정체가 밝혀지지 않은 암흑물질을 발견하고 '유령입자'로 불리는 중성미자의 질량 측정과 성질 규명에 도전할 계획이다. 연구시설 조성엔 210억원이 투입되며, 본격적인 실험은 2020년부터 진행될 예정이다.

암흑물질 검출과 중성미자 질량 측정은 우주의 기원과 물질의 존재를 이해하는 데 관건이 된다. 우주의 구성 성분 중 물질은 4%에 불과하며, 96%는 아직 밝혀지지 않은 암흑물질과 암흑에너지로 채워져 있을 것으로 추정하고 있다. 암흑물질 후보로는 '윔프'(WIMP)와 '액시온'(Axion) 등이 꼽힌다. 중성미자는 우주에서 광자(빛) 다음으로 가장 많은 기본입자로, 전자·뮤온·타우 등 세 종류가 있다. 이들은 다른 입자에 비해 질량이 매우 작아 질량이 있다는 정도만 확인됐을 뿐, 정확한 수치는 측정된 바 없다.

암흑물질과 중성미자가 내는 신호는 포착하기 매우 어렵기 때문에 실험 환경에서 우주선 등 배경잡음을 최대한 줄여야 한다. 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 아래 설치해 중성미자 진동현상을 관측했다.

연구단은 연구시설과 새 장비를 모두 갖추면 중성미자 질량 검출 민감도를 약 20meV(밀리전자볼트) 수준으로 크게 높일 수 있다고 설명했다. 현재 양양 실험실에서 수행하는 초기단계 실험의 검출 수준은 200meV 정도며, 세계 최고 수준 민감도는 100meV 정도다. 잡음이 적으면 그만큼 암흑물질의 신호를 발견할 확률이 높아진다.

김영덕 IBS 지하실험연구단장은 "우주 입자 연구시설이 완공되면 천체입자 물리학 분야가 한 단계 도약하고 세계적인 연구성과를 창출할 수 있을 것"이라고 말했다.

남도영기자 namdo0@dt.co.kr