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이번 실험은 세종대 물리천문학과 김영덕 교수가 단장으로 있는 기초과학연구원(IBS)의 지하실험 연구단이 연구를 주도하였다. 푸시파즈 아드카리(Pushparaj Adhikari), 고빈다 아드카리 (Govinda Adhikari) 두 학생은 데이터 분석에 주도적으로 참여하였다.
우주 구성물의 26.8%를 차지하는 것으로 보이는 암흑물질(Dark matter)의 존재가 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 과학자들은 여러 관측 결과를 토대로 중력과 약한 핵력으로 상호작용하고, 질량이 무거우며 우리 눈에는 보이지 않는 미지의 입자가 있을 것이라고 이론적으로 예측할 뿐이다. 매우 약하게 상호작용하는 무거운 입자인 윔프(WIMP)는 그러한 성질 때문에 암흑물질 유력 후보로 꼽힌다.
지금까지 윔프의 흔적을 발견한 건 이탈리아의 다마(DAMA) 실험이 유일하다. 1998년부터 계절에 따라 변하는 신호를 검출기로 포착하여 이 신호를 암흑물질의 흔적이라고 보고했다.
문제는 현재까지 DAMA 팀을 제외하고는 어느 연구팀도 같은 실험결과를 얻지 못했다는 것이다. 그래서 DAMA 팀이 포착한 신호가 정말 윔프의 흔적이 맞는지 논란이 계속 이어졌다.
김영덕 교수의 IBS 지하실험연구단이 이끄는 COSINE-100 공동연구협력단은 다마 팀의 연구 결과를 확인하려고 연구개발(R&D)로 독자적인 고순도 요오드화나트륨(NaI) 결정 제작 기술을 자체적으로 개발하여 검출기를 제작했다.
연구팀은 강원도 양양 양수발전소 내 지하 700m에 위치한 지하실험실에서 2016년부터 데이터 수집을 시작했다. 초기 59.5일간의 데이터를 분석한 결과 다마 팀이 주장한 신호를 포착하지 못했다. 다마 팀이 포착한 신호가 암흑물질이 맞는다면 이 기간 동안 1200번의 신호가 포착돼야 했지만, 연구단의 검출기에는 이런 신호가 전혀 검출되지 않았다.
이번 연구의 결과는 다마 팀의 실험 결과와 이를 바탕으로 한 이론들을 상당 부분 반증했다. 연구진은 앞으로도 계속 검출기를 이용해 데이터를 확보할 계획이다. 추가 데이터를 얻으면 다마 실험의 결과를 완전히 검증 혹은 반증할 수 있다.
암흑물질 검출은 주변의 배경 방사능을 최소화하고, 고순도 결정의 양이 많을수록 확률이 높아진다. 연구 팀은 2021년부터 강원도 정선의 1100m 깊이의 새 지하실험실에서 실험을 계속할 계획이다.
더 깊은 지하에서는 우주에서 오는 배경 방사능으로 인한 잡신호를 줄일 수 있다. 연구단은 향후 5년 내에 암흑물질 미스터리를 완벽히 해소할 수 있으리라 기대한다.
