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IBS 지하실험연구단, 암흑물질 후보 검증 신뢰도 68%

3년 내 암흑물질 검증 가능성

(대전ㆍ충남=뉴스1) 김태진 기자 | 2019-07-22 15:56 송고
코사인-100 실험이 이뤄진 양양 지하실험실 모습(IBS 제공) /© 뉴스1

기초과학연구원(IBS·원장 김두철) 지하실험연구단(단장 김영덕)이 이끄는 국제공동연구진이 암흑물질의 수수께끼를 푸는 데 한 발 더 다가섰다.

22일 IBS에 따르면 국제공동연구진이 지난 2년간 강원도 양양에서 암흑물질 관측 재현을 통해 암흑물질 후보의 연간 신호를 분석하고 검증 신뢰도를 1 시그마(68.3%)로 높였다.

암흑물질은 우주의 약 27%를 차지하는 것으로 추정되지만 지금까지 그 흔적을 발견한 연구는 이탈리아 그랑사소 지하실험실의 DAMA(다마) 실험이 유일하다. 하지만 실험을 재현하기 까다로워 그간 세계 유수의 연구팀이 DAMA 실험을 재현하는 데 실패했다.

지하실험연구단과 국제공동연구진의 ‘COSINE-100’ 실험은 DAMA와 동일한 고순도 요오드화나트륨 결정 제작에 성공하면서 2016년 9월 시작했다.

이는 DAMA 실험과 동일한 조건에서 연간 변화하는 입자 신호를 측정, 완벽하게 검증할 수 있는 최초의 실험으로 세계의 주목을 받고 있다.

첫 보고로 COSINE-100 연구진은 착수 후 59.5일 동안의 입자 신호를 기반으로 DAMA가 틀렸을 가능성을 지난해 저명한 국제 학술지 '네이처(Nature)'에 게재한 바 있다. 그러나 완벽한 검증을 위해서는 연간 변조신호가 필수적이어서 최종 결론에는 도달하지 못했다.

연구진은 COSINE-100 실험의 연간 변조신호를 처음으로 분석, 그 결과 DAMA에서 20년간 축적한 입자 신호가 양양의 재현 실험에서 관측한 신호의 오차 범위 내에 있는 것으로 나타났다. 이탈리아에서 관측한 신호가 암흑물질일 가능성을 일부 뒷받침하는 결과다.

COSINE-100 공동연구협력단(IBS 제공) /© 뉴스1

실험을 주도한 이현수 부연구단장은 “이번 연구는 DAMA 실험과 동일한 고순도 결정 검출기에서 데이터를 얻어 동일한 분석 방법을 적용한 최초의 실험이라는 데 의미가 있다”며 “완벽한 검증까지 3년이 걸릴 것으로 보이며, 그 과정에서 추가로 얻는 신호와 분석 방식에 따라 앞으로도 DAMA를 뒷받침하거나 반박하는 해석이 나올 것”이라고 말했다.

암흑물질 후보 윔프는 연간 입자 신호의 변화를 분석해 찾아낼 수 있다. 암흑물질로 채워진 은하를 태양계가 돌고 태양계 안을 지구가 돌면서 은하 기준으로는 지구가 태양보다 빠르거나 느리게 연중 다른 속도로 움직인다. 때문에 윔프 입자가 존재한다면 겨울에는 190km/s, 여름에는 250km/s 속도로 지구에 진입하게 되고, 이 신호 패턴을 연간 변조신호라고 한다. DAMA 실험은 지난 1998년부터 윔프의 연간 변조신호를 측정해 왔다.

연구진은 2016년 10월부터 2018년 8월까지 약 2년 동안 연간 변조신호 데이터를 얻었다. 윔프의 연간 신호 변화를 잡아내기 위해 다른 계절적 요인을 최대한 차단했다. 실험실 온·습도는 1% 오차 이내에서 제어하고 뮤온, 중성자, 라돈 등 주변 방사능은 면밀히 계산해 데이터를 보정했다.

분석한 코사인-100 실험의 연간 변조신호를 DAMA 신호와 비교한 결과 DAMA가 측정한 신호에 오차범위 내로 접근해 향후 DAMA와 일치할 가능성이 생겼다.

이번 분석 결과는 1 시그마(68.3%)를 약간 상회하는 신뢰도로, 코사인-100 실험의 중간보고 성격이다. 오차 자체가 크기 때문에 DAMA 실험이 맞을 가능성도 틀릴 가능성도 아직 배제할 수 없다. 향후 분석 결과가 DAMA와 비슷한 값을 가진다면 윔프 존재를 뒷받침하는 증거가 될 수 있다.

연구진은 이 추세라면 3년 안에 데이터 신뢰도 3 시그마(99.7%)를 달성해 DAMA 실험을 완벽하게 검증할 수 있을 것으로 전망했다.

만약 3년 뒤 COSINE실험이 DAMA와 최종적으로 다른 관측을 한다면 DAMA 팀이 관측한 것은 윔프가 아니라는 얘기가 된다. 이 경우 DAMA가 관측한 신호가 무엇인지를 알아내는 것까지가 연구팀의 목표다.


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