[과학을 읽다]지하 1100m에서 암흑물질 연구한다

IBS, 정선 철광에 우주입자연구시설 구축

▲우주입자연구시설 조감도.[사진제공=IBS]

[아시아경제 정종오 기자] 지하 1100m에 암흑물질과 중성미자를 연구하는 시설이 강원도 정선에 구축됩니다. 기초과학연구원(IBS)는 17일 정선 철광에 우주입자연구시설 구축을 위한 업무협력 협정(MOU)을 정선군(군수 전정환), 한덕철광(대표 김명주)과 체결합니다.

강원도 정선군 철광 지하 1100m에 우주입자연구시설을 구축하기 위한 시작입니다. 연구단은 기존의 지하 실험시설(양양 양수발전소 소재)보다 400m 더 깊이 내려가 정체를 드러내지 않는 암흑물질의 발견과 유령입자로 불리는 중성미자의 질량 측정과 성질 규명에 도전합니다.

IBS 지하실험 연구단은 정선군 신동읍 예미산 일대 한덕철광의 철광 지하 1100m 아래에 약 2000㎡ 규모의 연구시설을 2019년까지 짓습니다. 지하 연구시설 조성에 210억 원이 투입되며 본격 실험은 2020년부터 진행될 예정입니다.

암흑물질 검출과 중성미자 질량 측정은 우주의 기원과 물질의 존재를 이해하는데 중요한 부분입니다. 현대물리학 최대과제로 꼽히는 만큼 노벨물리학상 0순위 후보로 거론됩니다. 암흑물질과 중성미자가 내는 신호는 포착하기 매우 어렵기 때문에 실험 환경에서 배경잡음(우주선 등)을 최대한 줄여야 합니다.

주변이 조용해야 미세한 소리를 들을 수 있는 원리와 같습니다. 전 세계 과학자들이 경쟁적으로 지하 깊은 곳에 검출장치를 설치하는 이유이기도 합니다. 2015년 노벨물리학상을 수상한 가지타 다카아키 일본 도쿄대 교수는 거대 실험장치 '슈퍼-카미오칸데'를 폐광 지하 1000m 아래에 설치해 중성미자 진동현상을 관측했습니다.

연구단이 연구시설과 새 장비를 모두 갖추면 중성미자 질량 검출 수준(민감도)은 20meV로 크게 높아질 것으로 기대됩니다. 현재 양양 실험실에서 수행하고 있는 초기단계 실험의 검출 수준은 약 200meV 정도입니다. 중성미자 질량은 측정이 어려울 만큼 작기 때문에 검출 질량의 수준을 낮춰야 측정 가능성이 높아집니다.

현재 세계 최고 수준 민감도가 100meV 정도입니다. 암흑물질의 경우 배경잡음인 우주선이 5배 이상 차단될 것으로 예상됩니다. 잡음이 적으면 그만큼 암흑물질의 신호를 발견할 확률이 높아지는 원리입니다.

지하실험 연구단은 현재 강원도 양양군에 있는 한국수력원자력 양양 양수발전소의 협조로 지하 700m 아래 300㎡ 규모 실험실에서 천체입자 물리학 분야 실험을 수행중입니다. 연구시설의 깊이와 크기 모두 한계에 이르렀습니다. 연구단은 새 연구시설이 구축되면 세계적 연구그룹과 경쟁할 만한 연구 환경이 조성될 것으로 전망하고 있습니다. 연구시설에는 IBS의 실험장비뿐 아니라 타 연구기관들의 장비들도 설치될 예정이어서 국내외 협업이 크게 확대될 것으로 기대됩니다.

김영덕 연구단장은 "우주입자연구시설이 완공되면 천체입자물리학 분야가 한 단계 도약하고 세계적 연구 성과를 창출할 수 있을 것"이라며 "연구단은 지역사회 과학 발전을 위해서도 노력할 것"이라고 말했습니다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr