40년 만에 설명불가 섬광 포착…암흑물질 수수께끼 풀 단서일까

우주를 구성하는 물질의 대부분을 차지하고도 눈에 보이지 않아 수수께끼로 남아 있는 암흑물질의 실체를 밝혀낼지도 모를 단서가 포착됐다.

세계 과학계가 암흑물질 검출 실험을 시작한 지 40여년만에, 지하 깊은 곳에 설치된 초대형 검출기에서 기존 물리학 현상으로는 설명할 수 없는 신호가 발견됐다.

미국 로렌스버클리국립연구소가 중심이 된 국제 연구진은 1일(현지시각) 사우스다코타주 샌퍼드의 지하 1480m 연구 시설에 있는 암흑물질 탐지기 럭스-제플린(LZ)을 이용한 실험에서, 일반 물질에서 발생하는 신호로는 보기 어려운 단일 입자 상호작용 신호를 포착했다고 발표했다. 럭스-제플린 실험에는 세계 39개 기관 과학자와 엔지니어 250명이 참여하고 있다. 한국에선 기초과학연구원 지하실험연구단이 참여하고 있다.

과학자들은 우리가 아는 일반 물질은 우주 전체 물질의 15%에 불과하고 나머지 85%는 암흑물질로 본다. 암흑물질은 빛(전자기파)을 방출, 반사하거나 흡수하지 않기 때문에 직접 관측할 수 없다. 그러나 일반 물질과 마찬가지로 질량을 갖고 있어 주변의 가스를 모아 별과 은하, 은하단을 만들고 유지하는 뼈대 역할을 한다. 빅뱅 직후 빛으로 에너지를 잃지 않고 일반 물질보다 먼저 뭉쳐, 강력한 중력장으로 수소와 헬륨을 끌어모으면서 별과 은하의 탄생을 주도했다.

과학자들은 1980년대 이후 암흑물질의 가장 유력한 후보 가운데 하나로 ‘약하게 상호작용하는 무거운 입자’ 윔프(WIMP)를 상정하고, 이후 이를 포착하기 위한 실험을 계속해왔다. 이론에 따르면 윔프는 우주 어디에나 존재하는 입자로, 양성자보다 약 100배 더 무거워야 하며 중력과 약력만을 통해 물질과 상호작용해야 한다. 중력과 함께 자연계를 구성하는 4대 힘 가운데 하나인 약력은 원자핵 내부의 상태를 변화시키는 힘으로, 아주 짧은 거리에서만 작용한다.

따라서 윔프는 주변을 떠돌다가 아주 드물게 일반 물질의 원자핵과 충돌하는 경우가 있을 수 있다. 암흑물질 검출기는 바로 이 지점, 즉 원자핵과 충돌하는 순간의 반동을 노린다. 이번 연구에 참여한 로스앤젤레스 캘리포니아대(UCLA)의 알빈 카마하 교수는 “마치 건초 더미에서 바늘을 찾는 것과 같다”고 말했다. 초기 우주가 식어가는 과정에서 윔프도 차가워지고 움직임도 느려져, 현재 윔프는 초당 300km, 즉 빛의 속도의 1000분의 1 정도로 매우 느리게 움직인다.

이번 실험에 사용된 것은 세계 최대 규모의 검출기로, 7톤이 넘는 극저온 액체 제논으로 가득찬 거대한 탱크다. 윔프가 탱크 내부로 들어와 제논 원자와 부딪힐 때 발생하는 미세한 섬광과 전하 흐름을 추적한다. 지하 깊숙한 곳에 설치한 이유는 우주에서 날아오는 방사선 등의 간섭을 원천 차단하기 위한 것이다. 또 중성자 간섭으로 인한 혼선을 피하기 위해 검출기 주변은 물로 둘러쌌다.

연구진은 2023년 3월부터 2024년 4월까지 수집한 220일치 데이터를 분석한 끝에, 2023년 6월16일 기록된 신호에서 기존 일반 물질이나 방사성 배경신호로는 설명할 수 없는 섬광을 확인했다.

검출기에 나타난 것은 248keV(킬로전자볼트)의 에너지를 전달하는 반동이었다. 연구진은 “일반적으로 이러한 연구는 제논 핵에 50keV(킬로전자볼트) 미만의 에너지가 전달되는 저에너지 영역에 초점을 맞췄는데, 이번 분석에서는 그 범위를 270킬로전자볼트까지 확장했다”고 설명했다.

연구진은 만약 이 신호가 암흑물질에 의해 생긴 것이라면, 이 신호를 생성한 윔프의 질량은 양성자의 200배 이상일 가능성이 크다고 밝혔다.

연구진은 1일 일본에서 열린 입자 천체물리학 학회에서 이 사실을 처음 발표한 뒤, 사전출판 논문 공유집 아카이브에 연구 내용을 공개했다. 논문은 국제학술지 ‘피지컬 리뷰’에 제출할 예정이다.

연구진은 이번 발견의 과학적 신뢰도는 2.6시그마라고 밝혔다. 이는 이번 발견이 우연일 확률이 약 200분의 1 수준이라는 뜻이다. 자연과학에서 확실한 발견으로 인정받기 위한 기준인 5시그마, 약 350만분의 1에는 미치지 못한다.

럭스-제플린 협력단 대변인 리처드 게이츠켈 박사는 “이번 사건은 흥미롭지만, 과학자들이 아직 잘 이해하지 못하는 방식으로 일반 물질이 상호작용한 것일 가능성도 배제할 수 없다”고 신중한 입장을 밝혔다.

이번 연구의 제1저자인 샘 에릭슨 영국 브리스톨대 선임연구원은 “이번 연구는 기존 데이터 세트에서 탐색하지 않았던 영역을 상세히 살펴봤으며, 수개월간 모든 가능한 원인을 파악하기 위해 노력했다”며 “암흑물질 신호는 극히 드물 것으로 예상되므로 이번에 발견한 것과 같은 단 하나의 이상 신호도 중요하다”고 말했다. 에릭슨 역시 “이것이 암흑물질이라고 주장하는 것은 절대 아니다”라고 말했다.