지하 1000m에서 암흑물질 찾는 한국 과학자: 이휘소 박사가 남긴 실마리는?

지하 1000m에서 암흑물질 찾는 한국 과학자, 우주 95%의 미스터리, 암흑물질의 정체를 추적하다

우주의 95%는 우리가 관측할 수 없는 암흑물질과 암흑에너지로 이루어져 있다. 빛과 상호작용하지 않아 눈에 보이지 않는 이 미지의 존재는 우주의 구조 형성 및 진화에 필수적인 역할을 하는 것으로 알려졌다.

암흑물질의 존재는 은하의 회전 속도 등 천문학적 관측을 통해 처음 제기되었으며, 특히 츠비키와 베라 루빈 박사의 연구가 결정적이었다. 현재 암흑물질의 가장 유력한 후보 중 하나는 약하게 상호작용하는 무거운 입자, 즉 윈프(WIMP)다.

놀랍게도 윈프의 존재 가능성은 과거 한국 물리학의 전설, 이휘소 박사가 표준 모형 연구 중 제안했던 가설적 입자의 성질과 일치한다. 이휘소 박사의 학문적 후계 라인에 있는 소중호 박사 연구팀은 바로 이 윈프를 찾기 위해 지하 1000m에 초대형 실험 시설을 구축하고 극소량의 상호작용을 포착하려 시도하는데, 과연 이들은 우주의 비밀을 풀어낼 수 있을까?

암흑물질, 은하 회전 속도 이상에서 시작된 미스터리

암흑물질의 존재는 1930년대 스위스 천문학자 츠비키가 머리털자리 은하단을 관측하면서 처음 제기됐다. 은하단의 회전 속도가 관측되는 물질의 중력만으로는 설명할 수 없을 만큼 비정상적으로 빠르다는 것을 발견했던 것이다.

이후 1970년대 베라 루빈 박사가 안드로메다 은하의 회전 속도를 정밀하게 측정하면서 츠비키와 유사한 현상을 확인했다. 은하의 가장자리 별들도 중심부 별들과 거의 비슷한 속도로 회전했는데, 이는 은하 외곽에도 보이지 않는 막대한 질량이 존재해야만 가능한 현상이었다.

이처럼 보이지 않지만 중력을 통해 존재를 드러내는 미지의 물질을 과학자들은 암흑물질이라 명명했고, 이는 표준 우주 모형을 설명하는 데 필수적인 요소가 됐다.

한국 물리학 거장 이휘소 박사와 암흑물질 후보 윈프

암흑물질의 유력한 후보 중 하나인 윈프(WIMP)는 ‘약하게 상호작용하는 무거운 입자’라는 뜻이다. 윈프는 빛과 거의 상호작용하지 않아 관측하기 어렵지만, 질량을 가지고 있어 중력적 효과를 나타낸다.

흥미로운 점은 이 윈프의 성질이 한국 물리학의 태두로 불리는 이휘소 박사가 입자 물리학의 표준 모형을 연구하며 제안했던 가설적 입자의 특성과 매우 유사하다는 것이다.

비록 이휘소 박사가 직접 암흑물질을 연구한 것은 아니었지만, 그의 이론적 기여는 후대 과학자들이 윈프를 암흑물질의 유력한 후보로 상정하고 탐색에 나서는 중요한 실마리가 됐다. 이는 한국 물리학의 역사가 현재 진행형인 암흑물질 연구와 깊이 연결되어 있음을 보여준다.

지하 1000m, 예미랩에서 윈프를 찾다

윈프는 약하게 상호작용하기 때문에 이를 검출하는 것은 극히 어렵다. 지표면에서는 우주방사선 등 수많은 불필요한 신호가 검출 실험을 방해한다. 특히 우주에서 오는 고에너지 입자가 대기와 상호작용하여 발생하는 뮤온 입자는 땅속 깊숙이 침투하여 검출기에 영향을 줄 수 있다. 이러한 방해 신호를 최소화하기 위해 암흑물질 탐색 실험은 지하 깊은 곳에 구축된다.

한국의 예미랩(Yemilab)은 강원도 정선 예미산 지하 1000m에 위치한 세계적인 수준의 지하실험 시설이다. 이곳에서는 두꺼운 암석이 우주방사선과 뮤온을 효과적으로 차폐해주며, 과학자들은 극도로 민감한 검출기를 이용해 아주 낮은 확률로 일어날 수 있는 윈프와 검출기 내 원자핵의 충돌 신호를 포착하려 시도하고 있다.

이 실험은 과거 이탈리아 다마 실험팀의 윈프 관측 주장 등 논란이 있는 결과를 재연하고 검증하는 데도 목적을 두고 있다.

윈프 탐색의 난관과 미래

윈프 탐색 실험은 기술 발전과 함께 검출기의 민감도가 꾸준히 향상되고 있지만, 아직까지 명확한 윈프 신호는 발견되지 않았다. 이는 윈프의 질량이나 상호작용 강도가 예상과 다르거나, 혹은 윈프가 아닌 다른 종류의 입자(예: 액시온)가 암흑물질일 가능성도 시사한다.

특히 태양에서 발생하는 중성미자 또한 윈프와 유사한 신호를 발생시킬 수 있어 정밀한 구분이 필요하며, 이는 향후 윈프 탐색의 주요 난관 중 하나가 될 것이다. 하지만 과학자들은 이러한 도전 속에서도 계속해서 새로운 실험 방법을 모색하고 검출기 성능을 개선하며 암흑물질의 정체를 밝혀내기 위한 연구를 이어가고 있다.

예미랩과 같은 지하실험 시설에서의 끊임없는 노력이 언젠가 우주의 잃어버린 95%를 이해하는 결정적인 단서를 제공할 것으로 기대한다.

[본 기사는 다른 유튜버 분이 제작하신 유튜브 동영상을 참고·정리하여 기사화 하였습니다]

지하 1,000m에서 찾은 우주 탄생의 비밀, ‘암흑 물질’의 정체를 공개합니다 (feat. 소중호 박사)

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