미국 사우스다코타주 샌퍼드 지하 연구 시설에 설치되기 전 지상 실험실에 놓인 LUX-ZEPLIN(암흑물질 검출기·LZ) 주검출기. 사진 제공=기초과학연구원(IBS)
유력한 암흑물질의 후보 물질 ‘웜프(WIMP)’ 흔적이 국제 공동 연구 결과 포착됐다.
기초과학연구원(IBS)은 LUX-ZEPLIN(암흑물질 검출기·LZ) 국제공동연구진이 1일 일본에서 열린 입자 물리학 국제 학술 대회에서 웜프의 신호로 해석될 가능성이 있는 입자 상호 작용을 관측했다고 밝혔다.
LZ 국제공동연구진은
암흑물질 후보 입자인 웜프를 직접 검출하기 위한 국제 공동 연구팀으로 미국 에너지부 산하 로렌스버클리국립연구소가 이끌고 있다. 세계 39개 기관의 과학과와 엔지니어 약 250명으로 구성됐으며
한국에서는 김영덕 IBS 지하실험 연구단장 연구팀이 참여하고 있다.
암흑물질은 우주 전체 물질의 약 85%를 차지하지만 빛을 내거나 반사하지 않아 아직까지 한 번도 직접 관측된 적이 없는 우주 속 미지의 물질이다. 이때 ‘약하게 상호 작용하는 무거운 입자’라는 의미를 가진 웜프는 암흑물질의 유력한 후보 중 하나다.
문제는 이 웜프의 경우 전자나 양성자보다 훨씬 무겁지만 빛을 비롯해 다른 물질과 거의 상호작용하지 않아 검출이 어렵다는 점이다. 다만 아주 드물게 물질 속 원자핵과 충돌해 생긴 극히 미약한 섬광을 전기적 신호로 변환하면 초정밀 검측기로 포착이 가능하다.
윔프와 제논 원자가 충돌할 때 방출되는 전자와 섬광이 검출기 상·하부에 설치된 광 증배관에서 측정된다. 사진 제공=기초과학연구원(IBS)
LZ 국제공동연구진은 이 극도로 미세한 신호를 포착하기 위해 미국 사우스다코타주 샌퍼드 지하 연구 시설(SURF) 내 지하 약 1.5㎞에 LZ 검출기를 설치했다. 이를 통해 연구진은 약 10톤의 초고순도 액체 제논에 입자가 충돌할 때 발생하는 미세한 빛과 전기 신호를 광전자 증배관(PMT)으로 포착했으며 이후 정밀한 데이터 분석 등을 통해 암흑물질과 유사한 신호를 구분했다. 광전자 증배관은 빛(광자)을 감지해 전기 신호로 변환하는 장치다.
연구진은 2023년 3월부터 2024년 4월까지 220일 동안 수집한 데이터를 분석해 암흑물질 신호가 나타날 것으로 예상되는 영역에서 하나의 입자 상호 작용을 포착했다.
이 신호가 실제 암흑물질에 의해 발생했다면 신호를 만든 웜프의 질량은 최소 200GeV/c²(기가전자볼트/제곱광속·입자 질량 단위)로 양성자보다 200배 이상 무거울 것으로 추정된다. 또 기존 연구에서 주로 탐색해온 단순 충돌과 달리 웜프가 원자핵에 더 많은 에너지를 전달하는 방식으로 상호작용했을 가능성을 보여준다.
이번 신호의 통계적 유의성은 2.6시그마로 나타났다. 시그마(σ)는 관측된 결과가 우연인지를 판단하는 지표로 2.6시그마라는 의미는 이 신호가 우연히 발생했을 확률이 0.5%에 불과하다는 뜻이다.
다만 여전히 과제는 남아 있다는 것이 학계의 판단이다. 물리학계에서 새로운 입자 발견으로 인정하는 신뢰 기준은 5시그마이기 때문이다. 이번 관측 결과만으로 암흑물질의 실체를 확인했다고 단정하기는 어려운 만큼 학계는 추가 검증과 관측으로 통계적 정확도를 높여야 할 것으로 보고 있다.
연구진은 미국 샌퍼드 지하 연구 시설에서 웜프 탐색을 지속하며 이번 신호의 진위를 추가로 검증할 계획이다.
이번 발표의 제1저자인 샘 에릭슨 영국 브리스틀대 선임 연구원은 “기존 분석에서 다루지 않았던 데이터 영역을 새롭게 분석했고 관측된 신호의 원인을 밝히기 위해 수 개월간 가능한 모든 원인을 면밀히 검토했다”며 “검출기의 특성과 암흑물질로 오인될 수 있는 신호를 정밀하게 파악하고 있기 때문에 모든 검증을 통과한 하나의 특이 신호도 중요한 의미를 갖는다”고 밝혔다.
LZ 공동연구팀 책임자인 릭 게이츠겔 미국 브라운대 교수는 “암흑물질 신호가 나타날 것으로 예상된다”며 “이번 신호는 다른 원인에 의한 신호가 매우 적은 영역에서 포착돼 주목하고 있다”고 기대했다.
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