미 로런스 버클리 국립연구소 공동연구팀, 우주 암흑물질 단서 포착

미국 사우스다코타주 지하 1.6km 깊이에 위치한 연구시설에서 우주의 85%를 차지하는 암흑물질의 후보 입자 상호작용으로 추정되는 신호가 포착되었다.

로이터통신은 9월 1일(이하 현지시각) 로런스 버클리 국립연구소가 주도하는 국제 공동 럭스 제플린(LZ) 연구팀이 220일간 수집한 데이터 분석을 통해 암흑물질 관측의 첫 단서가 될 수 있는 신호를 얻었다고 보도했다.


이번 실험은 우주선과 외부 잡음을 차단하고자 사우스다코타주 블랙힐스 지역의 옛 금광 지하에 구축한 샌포드 지하 연구시설에서 진행되었다.

일반 물질은 우주 전체 물질의 15%에 불과하다. 나머지 85%는 빛을 방출하거나 반사하지 않는 암흑물질로 구성된다. 암흑물질은 직접 눈으로 볼 수 없다. 과학자들은 은하계 규모에서 나타나는 중력 효과로 존재를 확인한다.
실험에는 미국 에너지부 산하 로런스 버클리 국립연구소가 관리하는 LZ 검출 장치가 사용되었다. 원통형 검출 장치 내부에는 화학 원소인 크세논(Xe) 액체 10t이 채워졌다. 총 사업비는 2억 달러(약 2731억 원) 규모다.


LZ 연구팀은 암흑물질 후보 입자 가운데 하나인 ‘약상호작용 무거운 입자(WIMP)’를 추적했다. 검출 장치 내에서 암흑물질 입자가 크세논 원자핵과 충돌하면 희미한 자외선 불빛이 일어난다. 동시에 충돌 여파로 크세논 원자핵이 앞으로 튕겨 나가는 핵 반동 현상이 발생한다.

연구진은 크세논 원자핵과 미지의 입자가 관여했을 가능성이 있는 단일 상호작용 신호를 포착했다. 해당 입자가 WIMP일 경우 질량은 양성자보다 200배 이상 무거운 최소 200GeV/c² 수준으로 추산된다.

이번 연구에 참여하고 있는 샘 에릭슨 영국 브리스틀대 물리학자는 이번 신호가 암흑물질을 직접 목격한 첫 단서가 될 가능성을 언급했다.

연구진은 일본에서 열린 테라전자볼트 입자천체물리학(TeVPA) 학술대회에서 관측 결과를 발표했다. 관련 논문은 사전 공개 사이트에 게시되었다. 이번 관측은 단 한 차례 발생한 사건이다.

통계적 유의성은 2.6시그마 수준이다. 이 수준은 배경 잡음으로 동일 신호가 우연히 나타날 확률 0.5%에 해당하는 1.96시그마 보다는 높지만 과학계에서 공식 증거로 인정받는 3시그마 수준에는 못 미처 암흑물질 최종 발견으로 확정하기에는 이른 단계다.

에릭슨 연구원도 단일 사건에 불과하므로 암흑물질을 최종 발견했다고 선언하는 것은 아니라는 신중한 입장을 밝혔다.

미국 캘리포니아대 로스앤젤레스(UCLA) 우주물리학자 앨빈 카마하는 매초 수백만 개의 암흑물질 입자가 인체를 통과할 수 있으나 일반 원자와 반응하는 경우는 극히 드물다고 설명했다.

암흑물질은 은하계 형태를 유지하도록 돕는 우주의 접착제 역할을 담당한다. 암흑물질이 없었다면 태양계와 같은 우주 구조 형성은 어려웠을 것으로 분석된다.

물리학자들은 암흑물질의 정체를 밝히는 것이 우주 물질의 대부분을 차지하는 미지의 영역을 이해하는데 반드시 필요하다고 설명한다.

LZ 연구진은 외부 요인 간섭 가능성을 배제하고자 정밀 검증 작업을 지속 진행할 계획이다.


심완섭 글로벌이코노믹 기자 ciberwld@g-enews.com