암흑물질 유력 단서 포착? IBS 포함 국제연구진 '윔프' 가능성 신호 관측

[이데일리 강민구 기자] 암흑물질의 유력한 후보 물질인 ‘윔프’의 흔적을 포착한 국제공동연구진의 연구 결과가 1일 일본에서 열린 입자물리학 국제학술대회에서 공개됐다.

기초과학연구원(IBS)은 김영덕 지하실험 연구단장 연구팀이 참여한 암흑물질검출기(LUX-ZEPLIN, 이하 LZ) 국제공동연구진 LUX-ZEPLIN(LZ)이 암흑물질 후보인 윔프(WIMP)의 신호로 해석될 가능성이 있는 입자 상호작용을 관측했다고 1일 밝혔다.

LUX-ZEPLIN 주검출기.(사진=기초과학연구원)

새로 관측된 신호는 미국 사우스다코타주 샌퍼드 지하연구시설에서 진행한 세계 최대 규모 암흑물질 탐색 실험에서 포착됐으며, 세계 최초 암흑물질 발견으로 이어질지 주목받고 있다.

암흑물질의 존재가 제기된 이후 약 100년 동안 인류는 암흑물질의 정체를 밝히기 위해 노력해 왔다. 눈에 보이지 않는 암흑물질은 우주 전체 물질의 약 85%를 차지하지만, 아직 직접 관측된 적이 없어, 자연의 비밀을 풀기 위한 현대 물리학의 난제로 남아 있다.

약하게 상호작용하는 무거운 입자를 뜻하는‘윔프(WIMP)’는 암흑물질의 유력한 후보 중 하나다. 윔프는 전자나 양성자보다 훨씬 무겁지만, 빛이나 다른 물질과 거의 상호작용 하지 않아 검출이 어렵다. 다만 아주 드물게 물질 속 원자핵과 충돌해 생긴 극히 미약한 섬광(빛)을 전기적 신호로 변환해 초정밀 검출기로 포착할 수 있다.

극도로 미세한 신호를 포착하기 위해 지하 깊은 곳에서 우주선(cosmic rays) 등 배경 잡음을 최소화한 실험이 전 세계에서 진행되고 있다.

LZ국제공동연구진은 미국 사우스다코타주 샌퍼드 지하연구시설의 지하 약 1.5km에 LZ 검출기를 설치하고, 약 10톤의 초고순도 액체 제논에 입자가 충돌할 때 발생하는 미세한 빛과 전기 신호를 광전자증배관으로 포착했다.

검출기를 둘러싼 물탱크와 외부 검출기로 중성자 등 외부에서 유입되는 입자를 걸러내고, 정밀한 데이터 분석을 통해 자연 방사선과 검출기 잡음 등 암흑물질과 유사한 신호를 구분했다.

연구진은 2023년 3월부터 2024년 4월까지 220일 동안 수집한 데이터를 분석해 암흑물질 신호가 나타날 것으로 예상되는 영역에서 하나의 입자 상호작용을 포착했다. 연구진은 수개월간 신호가 발생할 수 있는 자연 방사선이나 중성자, 검출기 잡음 등 여러 원인을 정밀하게 검토했지만, 포착된 신호의 정체를 설명하기 어려웠다.

이 신호가 실제 암흑물질에 의해 발생했다면 신호를 만든 윔프의 질량은 양성자보다 200배 이상 무거울 것으로 추정된다. 기존 연구에서 주로 탐색해 온 단순한 충돌과 달리, 윔프가 원자핵에 더 많은 에너지를 전달하는 방식으로 상호작용했을 가능성도 보여준다.

이번 신호의 통계적 유의성은 2.6시그마로, 자연 방사선이나 중성자, 검출기 잡음 등 기존에 알려진 배경신호원만으로 이러한 신호가 우연히 발생했을 확률은 약 0.5%에 불과하다. 다만 물리학계에서 ‘새로운 입자 발견’으로 인정하는 신뢰 기준이 5시그마인 만큼, 이번 관측 결과만으로 암흑물질의 실체를 확인했다고 단정하기는 어렵다.

연구진은 현재까지 암흑물질 탐색 실험 가운데 가장 많은 관측자료를 확보한 데 이어 샌퍼드 지하연구시설에서 윔프 탐색을 지속하며 이번 신호의 진위를 추가로 검증할 계획이다.

제1저자인 샘 에릭슨(Sam Eriksen) 영국 브리스틀대 선임연구원은 “기존 분석에서 다루지 않았던 데이터 영역을 새로 분석했으며, 관측된 신호의 원인을 밝히기 위해 수개월간 가능한 모든 원인을 검토했다”며 “검출기의 특성과 암흑물질로 오인될 수 있는 신호를 정밀하게 파악하고 있기 때문에 모든 검증을 통과한 하나의 특이 신호도 중요한 의미를 갖는다”고 전했다.

김영덕 단장은 “IBS는 아시아 연구기관으로는 유일하게 연구에 참여한 데 이어, 차세대 실험인 XLZD에도 함께하고 있다”며 “윔프 관측에서 우수한 성능을 보이고 있는 액체제논 검출기 실험에서 한국이 더 주도적인 역할을 할 수 있을 것”이라고 말했다.

연구 결과는 1일 일본에서 열린 ‘2026 TeV 입자천체물리학 국제학술대회(TeVPA 2026)’에서 발표됐다. 논문은 사전공개 사이트인 아카이브(arXiv)에 같은 날 공개됐으며, 국제 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 투고됐다.