IBS, 네온 실험 착수...원자로에서 우주 속 암흑물질 찾아

기초과학연구원(IBS)은 지하실험 연구단(단장 김영덕)이 이끄는 국내 공동연구팀이 최초로 상용 원자로를 활용해 가벼운 암흑물질을 탐색하는 '네온'(NEON) 실험에 착수했다.

6일 IBS는 우주 속 암흑물질은 빛과 상호작용하지 않기 때문에 눈에 보이지 않고 중력만으로 존재를 감지할 수 있다고 밝혔다.

입자물리학의 표준모형으로 설명되는 우리 눈에 보이는 우주는 4%에 불과하다. 나머지는 밝혀지지 않은 암흑물질(27%)과 암흑에너지(69%)로 구성돼 있다.

암흑물질의 후보 물질로 약하게 상호작용하는 무거운 입자 '윔프'(WIMPs) 등이 거론되고 있지만, 실험적 증거가 부족한 상황에서 '가벼운 암흑물질'(LDM)과 '암흑광자'(Dark Photon) 등 질량이 작은 입자가 대안으로 떠오르고 있다.

IBS를 비롯해 서울대, 중앙대, 한국원자력연구원, 국가연구소대학교(UST) 연구팀이 공동으로 수행하는 네온 실험은 초경량 영역의 암흑물질 탐구를 위해 설계된 실험이다.

기존 가속기 기반 실험은 주로 윔프 등 무거운 입자의 탐색에 집중돼 있었다.

가벼운 암흑물질은 다른 물질과의 상호작용이 약해 자연 배경 방사선에 신호가 묻히기 쉬워 배경 방사선을 최소화할 수 있는 정밀한 실험 설계를 해야 한다.

연구팀은 전남 영광 한빛 원자력본부 제3발전소에 탈륨 도핑 요오드화나트륨 섬광 검출기(요오드화 나트륨을 탈륨으로 활성화한 결정형 방사선 검출기로, 저에너지 방사선 탐지에 높은 효율을 가짐)를 설치했다.

검출기는 배경 방사선을 최소화하도록 액체 섬광체, 납, 폴리에틸렌으로 구성된 다층 차폐 구조를 갖췄다.

암흑물질 신호와 배경 잡음을 구별하는 알고리즘을 데이터 분석에 도입해 신호 해석 능력을 획기적으로 높였다.

이어 1년 4개월 동안 암흑물질 신호 데이터를 수집한 결과 1∼10keV(킬로전자볼트)의 초 저에너지 범위에서 미세한 신호를 정밀하게 분석하는 데 성공했다.

원자로에서 발생하는 고에너지 광자가 가벼운 암흑물질을 생성하고, 이 암흑물질이 전자와 상호작용할 가능성을 실험으로 직접 탐색한 세계 최초의 연구라고 연구팀은 설명했다.

핵분열 과정에서 방출된 고에너지 광자가 전자와 상호작용해 암흑광자가 생성되며, 이 암흑광자는 가벼운 암흑물질로 붕괴할 수 있다는 이론적 제안을 실험적으로 검증한 것이다.

이현수 부연구단장은 "원자로를 암흑물질의 생성 원천으로 활용한 혁신적인 방법으로, 가벼운 암흑물질을 탐색할 수 있는 새로운 길을 열었다"며, "기존 암흑물질 연구의 한계를 극복하고 우주 형성의 비밀을 푸는 데 기여할 것"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 '피지컬 리뷰 레터스'(Physical Review Letters) 지난달 14일 자에 실렸다.

과학팀 press@jeonpa.co.kr

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