[대한민국 희망 프로젝트]〈484〉암흑물질

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6600만년 전 공룡이 멸종한 이유가 `암흑물질(dark matter)` 때문이라는 설이 나왔습니다. 암흑물질이 혜성을 지구로 향하게 만들었다는 것입니다. 세계 과학계는 힉스입자 발견 이후 우주의 비밀을 밝혀낼 암흑물질 연구에 몰두하고 있습니다.

6600만년 전 공룡이 멸종한 이유가 `암흑물질(dark matter)` 때문이라는 설이 나왔습니다. 암흑물질이 혜성을 지구로 향하게 만들었다는 것입니다. 세계 과학계는 힉스입자 발견 이후 우주의 비밀을 밝혀낼 암흑물질 연구에 몰두하고 있습니다.

액시온 검출을 위한 냉각기
<액시온 검출을 위한 냉각기>

Q:암흑물질이 무엇인가요.

A:암흑물질은 우주 대부분을 차지하고 있으나 관측된 적이 없는 미스터리 물질입니다. 우리가 우주에 대해 알고 있는 사실은 5%도 채 되지 않지요. 암흑물질은 1930년대 스위스 천문학자 프리츠 츠비키가 머리털자리 은하단을 관측하다가 처음 발견했습니다. 츠비키는 은하단이 유지되려면 보이지 않지만 암흑물질이 필요하다고 제시했습니다.

1970년대 미국 천문학자 베라 루빈은 은하에서 별들의 움직임을 관측해 암흑물질 존재를 확인했습니다. 빠르게 움직이는 별이나 가스 구름을 붙잡아 두려면 암흑물질이 은하에 존재해야 한다는 것이었지요. 우주는 서로 끌어당기는 중력 효과를 주는 `암흑물질` 약 27%와 서로 밀어내는 효과를 주는 `암흑에너지` 약 68% 등으로 구성됐습니다. 암흑물질은 이처럼 우주 기원과 탄생의 비밀을 안고 있습니다.

Q:암흑물질은 무엇이 있나요.

A:암흑물질 유력한 후보군으로 윔프(WIMPs), 위스프스(WISPs)를 꼽습니다. 윔프는 그동안 암흑물질의 가장 유력한 후보군으로 꼽혀왔습니다. 각국 다양한 연구진이 지하에서 윔프 신호를 찾기 위해 실험을 진행 중입니다. 하지만 연구진은 10년이 넘게 윔프 검출에 힘썼지만 아직 발견하지 못한 상태죠. 이 때문에 다른 후보물질인 위스프스로 눈을 돌리고 있습니다. 위스프스 대표 물질은 바로 `액시온`입니다. 액시온 검출 원리는 강한 자기장 내부에서 액시온이 갖고 있는 고유 진동수를 맞춥니다. 여기에서 방출되는 광자 신호를 측정하고 이를 증폭해 액시온 존재를 관측하는 시스템입니다.

Q:우리나라도 암흑물질 도출을 위한 실험을 하고 있나요.

A:우리나라 기초과학연구원(IBS)은 윔프와 액시온 검출 연구단을 따로 운영하고 있습니다. IBS 지하실험연구단은 양양 수력발전소 내부에서 윔프를 탐색하는 연구를 하고 있습니다. 액시온 검출을 위해 IBS 액시온 및 극한상호작용 연구단(CAPP)에서 자체적으로 검출기를 제작해 운영하고 있습니다. CAPP는 유럽입자연구소(CERN)와 함께 암흑물질을 탐색하기로 했습니다. 지난달부터 CAPP와 CERN이 암흑물질 검출 공동 연구를 위한 실험장치 제작에 들어갔습니다. 향후 5년간 CERN에서 실험이 진행됩니다. 액시온 탐색에 두 연구단 기술과 인적 자원이 보완되면 액시온을 검출할 수 있을 것으로 기대됩니다.

Q:액시온이 발견되면 노벨상을 받을 수 있을까요.

암흑물질을 발견하면 노벨상 수상에 도전할 수 있습니다. 힉스입자를 예견한 과학자들이 노벨상을 수상한 것을 보면 알 수 있죠. 힉스입자는 에너지를 전달하는 힘인 매개 입자들 사이에 작용하는 힘의 관계를 설명해 주는 소립자입니다. 이 입자가 예측된 후 50년 가까이 가설로만 존재했습니다. 그러다 2013년 10월 힉스입자가 과학적으로 증명되면서 현대 이론물리학에서 표준모형이 완성됐죠. 힉스입자를 예견한 두 명의 원로 물리학자는 노벨상을 수상했습니다.

액시온이 검출되면 김진의 경희대 석좌교수가 강력한 노벨상 후보로 떠오르게 됩니다. 그는 연구원 시절인 1979년 `아주 가벼운 액시온`을 창안하고, 액시온 입자를 예측하는 이론을 최초로 제안한 인물이기 때문이죠. IBS 연구단은 액시온을 실험으로 검증하는 역할을 하고 있습니다.

송혜영기자 hybrid@etnews.com

Q:암흑물질이 무엇인가요.

A:암흑물질은 우주 대부분을 차지하고 있으나 관측된 적이 없는 미스터리 물질입니다. 우리가 우주에 대해 알고 있는 사실은 5%도 채 되지 않지요. 암흑물질은 1930년대 스위스 천문학자 프리츠 츠비키가 머리털자리 은하단을 관측하다가 처음 발견했습니다. 츠비키는 은하단이 유지되려면 보이지 않지만 암흑물질이 필요하다고 제시했습니다.

1970년대 미국 천문학자 베라 루빈은 은하에서 별들의 움직임을 관측해 암흑물질 존재를 확인했습니다. 빠르게 움직이는 별이나 가스 구름을 붙잡아 두려면 암흑물질이 은하에 존재해야 한다는 것이었지요. 우주는 서로 끌어당기는 중력 효과를 주는 `암흑물질` 약 27%와 서로 밀어내는 효과를 주는 `암흑에너지` 약 68% 등으로 구성됐습니다. 암흑물질은 이처럼 우주 기원과 탄생의 비밀을 안고 있습니다.

Q:암흑물질은 무엇이 있나요.

A:암흑물질 유력한 후보군으로 윔프(WIMPs), 위스프스(WISPs)를 꼽습니다. 윔프는 그동안 암흑물질의 가장 유력한 후보군으로 꼽혀왔습니다. 각국 다양한 연구진이 지하에서 윔프 신호를 찾기 위해 실험을 진행 중입니다. 하지만 연구진은 10년이 넘게 윔프 검출에 힘썼지만 아직 발견하지 못한 상태죠. 이 때문에 다른 후보물질인 위스프스로 눈을 돌리고 있습니다. 위스프스 대표 물질은 바로 `액시온`입니다. 액시온 검출 원리는 강한 자기장 내부에서 액시온이 갖고 있는 고유 진동수를 맞춥니다. 여기에서 방출되는 광자 신호를 측정하고 이를 증폭해 액시온 존재를 관측하는 시스템입니다.

Q:우리나라도 암흑물질 도출을 위한 실험을 하고 있나요.

A:우리나라 기초과학연구원(IBS)은 윔프와 액시온 검출 연구단을 따로 운영하고 있습니다. IBS 지하실험연구단은 양양 수력발전소 내부에서 윔프를 탐색하는 연구를 하고 있습니다. 액시온 검출을 위해 IBS 액시온 및 극한상호작용 연구단(CAPP)에서 자체적으로 검출기를 제작해 운영하고 있습니다. CAPP는 유럽입자연구소(CERN)와 함께 암흑물질을 탐색하기로 했습니다. 지난달부터 CAPP와 CERN이 암흑물질 검출 공동 연구를 위한 실험장치 제작에 들어갔습니다. 향후 5년간 CERN에서 실험이 진행됩니다. 액시온 탐색에 두 연구단 기술과 인적 자원이 보완되면 액시온을 검출할 수 있을 것으로 기대됩니다.

Q:액시온이 발견되면 노벨상을 받을 수 있을까요.

암흑물질을 발견하면 노벨상 수상에 도전할 수 있습니다. 힉스입자를 예견한 과학자들이 노벨상을 수상한 것을 보면 알 수 있죠. 힉스입자는 에너지를 전달하는 힘인 매개 입자들 사이에 작용하는 힘의 관계를 설명해 주는 소립자입니다. 이 입자가 예측된 후 50년 가까이 가설로만 존재했습니다. 그러다 2013년 10월 힉스입자가 과학적으로 증명되면서 현대 이론물리학에서 표준모형이 완성됐죠. 힉스입자를 예견한 두 명의 원로 물리학자는 노벨상을 수상했습니다.

액시온이 검출되면 김진의 경희대 석좌교수가 강력한 노벨상 후보로 떠오르게 됩니다. 그는 연구원 시절인 1979년 `아주 가벼운 액시온`을 창안하고, 액시온 입자를 예측하는 이론을 최초로 제안한 인물이기 때문이죠. IBS 연구단은 액시온을 실험으로 검증하는 역할을 하고 있습니다.

송혜영기자 hybrid@etnews.com

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