암흑물질을 찾아라

존재 불가능 영역 파악해 존재를 찾는다

▲우주는 아직 파악되지 않은 '암흑물질'로 구성돼 있다.[사진제공=NASA]

[아시아경제 정종오 기자] A라는 존재를 찾는 방법은 두 가지가 있다. 하나는 A라는 존재를 곧바로 찾아내면 된다. 이 방법이 여의치 않을 때는 두 번째 방법을 이용한다. A가 존재할 가능성이 없는 지역을 배제시키는 방법이다. 그렇게 배제시키다 보면 A라는 존재가 있을 가능성이 있는 공간은 좁혀지기 마련이다.

국내 연구팀이 암흑물질 후보로 떠오르고 있는 '비활성 중성미자'에 대해 두 번째 방법을 이용해 검출 범위를 좁혔다. 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 지하실험 연구단 공동 연구팀은 비활성 중성미자의 검출 실험을 수행했다. 단거리 중성미자 진동 실험(Neutrino Experiment for Oscillation at Short baseline, NEOS)을 수 개월간 진행했다.

이를 통해 기존에 추정돼 온 비활성 중성미자 발견 예상 영역에는 비활성 중성미자가 존재하지 않음을 밝혔다. 검출 범위를 좁혔다.

중성미자(neutrino)는 우주를 구성하는 기본 입자 가운데 가장 가벼운 입자를 말한다. 한 때 암흑물질 후보 물질로 꼽혔다. 중성미자는 빛의 속도에 가깝게 움직이면서 전하를 띠지 않는다. 다른 물질과 약한 상호작용만 하기 때문에 관측이 힘들다. '유령 입자'로 부르는 배경이다. 우주 질량의 극히 일부만을 차지한다는 사실이 밝혀지며 암흑물질 후보 대상에서 제외됐다.

암흑물질은 우주를 구성하고 있는, 알려져 있지 않은 물질을 말한다. 암흑물질이 파악되면 우주의 기본 시스템이 파악되기 때문에 매우 중요한 의미를 갖고 있다.

일반 중성미자와 구분되는 비활성 중성미자(sterile neutrino)가 최근 암흑물질의 새로운 후보로 부상하고 있다. 비활성 중성미자는 세 종류의 일반(활성) 중성미자가 자기들끼리 서로 다른 종류의 중성미자로 바뀌는 진동 변환(oscillation) 과정에서 세 종류 이외에 존재할 것으로 예측되는 제 4의 중성미자를 말한다.

지금까지 발견된 중성미자는 전자중성미자, 뮤온중성미자, 타우중성미자가 있다. 이들은 우주의 기원을 설명하는 표준모형의 입자들로 질량이 가벼운 렙톤입자들이다. 이들 각각에 대해 입자가 도는 스핀 방향이 반대인 반중성미자가 존재한다.

비활성 중성미자는 약한 상호작용조차 하지 않으며 질량은 기존 중성미자보다 무거워 일반 중성미자와 차이가 있다. 현재 관측되는 은하의 구조나 밀도를 설명할 수 있는 강점이 있어 암흑물질의 유력한 후보로 주목받고 있다. 중성미자가 진동 변환될 때 검출될 수 있는데 중성미자의 진동을 측정하는 실험이 필요하다.

연구팀은 비활성 중성미자 검출을 위해 영광 한빛 원자력발전소의 원자로를 이용했다. 단거리 중성미자 진동 실험(NEOS)을 진행했다. 실험은 원자로 중심으로부터 단거리인 24m 떨어진 곳에 검출기를 설치해 중성미자의 에너지 스펙트럼을 측정했다. 원자로 안에서 원자핵이 붕괴되면서 생성된 중성미자가 검출기의 양성자와 반응해 양전자와 중성자를 만들어낸다. 이 양전자가 내는 빛의 세기가 에너지로 치환되는 원리이다.

에너지 스펙트럼을 분석한 결과 대부분의 에너지 영역에서 중성미자 신호 측정값은 진동 변환이 없을 때의 기준 값과 대체로 일치했다. 이번 연구의 스펙트럼 또한 별다른 진동 신호를 보이지 않아 비활성 중성미자를 검출하지 못했다. 분석과정에서 연구팀은 비활성 중성미자가 존재하지 않는 영역을 밝혀 제 4의 중성미자 검출 범위를 크게 좁혔다.

오유민 IBS 지하실험 연구단 연구위원은 "이번 연구는 비활성 중성미자의 검출 예상 영역을 좁히며 영역의 경계를 새롭게 제안한 것"이라며 "앞으로 원자로를 활용한 중성미자 진동 실험에 좋은 참고 데이터를 제공할 것"이라고 말했다. 연구결과는 미국 물리학회 학술지 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters) 3월21일자 온라인판(논문명:Sterile Neutrino Search at the NEOS Experiment)에 실렸다.

▲파란색 선의 오른쪽 영역은 모두 비활성 중성미자 검출 가능성 제외 영역이다.[자료제공=IBS]

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr