암흑물질 새 후보 ‘비활성 중성미자’ 없는 곳 찾았다

[한겨레] 기초과학연 지하실험연구단 “배제영역 찾아 검출 가능성 높여”

암흑물질 후보인 비활성 중성미자를 검출하기 위한 ‘단거리 중성미자 진동 실험’(NEOS) 검출기를 기초과학연구원 지하실험연구단 연구원들이 조립하고 있다. 기초과학연구원 제공

우주에는 우리가 보고 만질 수 있는 물질보다 오감으로 감지할 수 없는 암흑물질이 몇배 더 많다. 이른바 암흑물질로, 전파 ·적외선·가시광선·자외선·엑스선·감마선 등과 같은 전자기파로도 관측되지 않고 오로지 중력을 통해서만 존재를 인식할 수 있다. 암흑물질 후보로는 윔프(약한 상호작용을 하는 소립자라는 뜻), 액시온 등이 있다. 최근에는 중성미자가 전자·타우·뮤온 삼형제 외에 ‘비활성 중성미자’가 있으며 이 넷째 중성미자가 암흑물질일 것이라는 가설이 등장했다. 비활성 중성미자는 다른 형제 입자들과 달리 약한 상호작용조차 하지 않고 질량은 훨씬 무거운 성질을 가진 것으로 추정되고 있다. 기초과학연구원(IBS) 지하실험연구단은 중앙대·전남대·세종대·경북대·한국원자력연구원·한국표준과학연구원 등과 공동으로 비활성 중성미자를 검출하기 위해 ‘단거리 중성미자 진동 실험’(NEOS)을 하고 있다.

공동연구팀은 21일 “실험을 몇 달 동안 진행한 결과 기존에 비활성 중성미자가 발견될 것으로 예상했던 영역에서는 비활성 중성미자가 존재하지 않는다는 사실을 알아냈다. 비활성 중성미자가 발견된 것은 아니지만 검출 범위를 좁혀 검출 가능성을 높였다”고 밝혔다. 연구팀의 논문은 물리학 분야 최고 권위지인 <피지컬 리뷰 레터스> 21일(현지시각)치에 실렸다.

중성미자는 우주를 구성하는 기본입자 가운데 가장 가벼운 입자로 빛의 속도에 가깝게 움직이며 다른 물질과 약한 상호작용만 하기 때문에 관측이 어려웠다. ‘유령입자’로 불리며 한때 암흑물질 후보로 꼽혔지만 우주 질량의 극히 일부분만 차지한다는 사실이 밝혀지면서 후보 목록에서 제외됐다. 하지만 최근 전자·타우·뮤온 세 중성미자가 서로 바뀌는 현상인 ‘진동 변환’ 중에 해석이 안되는 손실이 발생하는 현상을 놓고 과학자들은 ‘제4의 중성미자’ 존재 가능성을 추정해냈다. 이 가설의 중성미자는 현재 관측되는 은하의 구조나 밀도를 설명할 수 있어 암흑물질 후보로 떠올랐다. 중성미자가 진동 변환될 때 검출할 수 있기 때문에 연구팀은 중성미자의 진동을 측정하는 실험을 했다.

실험은 전남 영광군에 있는 한빛원전에서 이뤄졌다. 원자로에서 24㎞ 떨어진 곳에 검출기를 설치해 중성미자의 에너지 스펙트럼을 측정한 것이다. 원자로 안에서 원자핵이 붕괴되면서 생성된 중성미자가 검출기의 양성자와 반응해 양전자와 중성자를 만들어내는데 이 양전자가 내는 빛의 세기가 에너지로 치환되는 정도를 재는 방식이다.

연구팀은 에너지 스펙트럼을 분석한 결과 비활성 중성미자가 검출되지는 않았으나 비활성 중성미자가 존재하지 않는 영역이 존재한다는 사실을 밝혔다. 거꾸로 보면 중성미자를 검출할 수 있는 범위를 크게 좁혀 향후 중성미자를 검출할 수 있는 가능성을 높인 것이다. 미국 물리학회 학술지인 <피지컬 리뷰 레터스>도 연구팀의 이런 성과에 의미를 둬 논문을 게재했다.

이근영 선임기자 kylee@hani.co.kr

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