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우주 탄생 비밀 풀 ‘암흑물질’, 이것만 찾으면 바로 노벨상인데…

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지난 2월 중력파 발견 이후 물리학계의 관심은 ‘우주의 수수께끼 물질’이라 불리는 암흑물질에 쏠리고 있다. 암흑물질은 중력파와 닮은꼴이다. 중력파는 아인슈타인이 100년 전 그 존재를 예견했음에도 불구하고 실제 발견에 이르기까지 험난한 여정이 이어졌다.

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암흑물질도 마찬가지다. 많은 과학자가 존재를 인정하고 있지만 그 모습을 좀처럼 드러내지 않고 있다. 한국은 2003년부터 암흑물질 검출기를 가동해 이에 도전하고 있다. 올해 봄부터 두 번째 암흑물질 검출기가 작동을 시작한다. 강원도 양양군 양수발전소 지하 터널에 위치한 기초과학연구원(IBS) 지하실험연구단에서 암흑물질과 우주의 비밀을 살펴봤다.

지난 22일 강원도 양양군 점봉산. 4륜 구동 차량에 올라 지하로 뚫린 집채만 한 크기의 터널을 따라 2㎞를 달리자 거대한 화강암 동굴이 나타났다. 지하실험연구단이 운영하는 암흑물질 검출기는 지하 700m 지점에 설치돼 있다. 다소 쌀쌀했던 초봄의 바깥 날씨와 달리 동굴 내부는 따스했다.
 
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강원도 양양군 점봉산 지하 700m에 위치한 연구실에선 올봄 가동될 예정인 암흑물질 검출기 2호 준비작업이 한창이다. [사진 기초과학연구원]


이 연구단 강운구 박사는 “사계절 내내 기온이 20도 정도로 유지된다”고 설명했다. 바위 사이로 스며 나온 지하수가 바닥을 흥건히 적셨다. 지하 동굴은 국내 최대 규모인 양양 양수발전소를 건설하면서 뚫은 것이다. 연구단은 이 중 일부 공간을 빌려 쓰고 있다.

영어로 다크 매터(dark matter)라 불리는 암흑물질은 글자 그대로 아직까지 정체가 밝혀지지 않은 물질이다. 과학자들은 1970년 무렵부터 암흑물질이 우주 곳곳에 퍼져 있을 것으로 추정하고 있을 뿐이다.
 
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강 박사는 “ 중성자 등 우리가 흔히 물질이라 부르는 건 우주 전체의 4%에 불과하다”며 “나머지 96%는 정체가 밝혀지지 않은 암흑물질과 암흑에너지로 이뤄져 있다”고 말했다. 태양계를 예로 들면 태양과 지구 사이 우리가 흔히 빈 공간이라 생각하는 그곳을 암흑물질과 암흑에너지 가 메우고 있는 것이다.

암흑에너지는 중력에 반하는 힘이다. 중력이 물체를 끌어당기는 ‘인력(引力)’이라면 암흑에너지는 밀어내는 힘인 ‘척력(斥力)’이다. 대폭발인 빅뱅(big bang)의 발생 원리를 알면 암흑물질과 암흑에너지도 어렵지 않게 이해할 수 있다. 중·고교 과학 시간에 배운 것처럼 우주는 138억 년 전 빅뱅의 순간부터 지금까지 꾸준히 팽창하고 있다.

다양한 천문학 관측 결과에 의하면 우주 팽창 속도는 점차 빨라지고 있다. 과학자들은 이런 팽창을 가능하게 하는 힘의 원천을 암흑물질과 암흑에너지로 설명한다. 이런 팽창을 가능하게 하는 힘이 없다면 우주에는 끌어당기는 힘인 중력만 남게 되며, 팽창은 멈추고 쪼그라들게 된다. ‘암흑’이란 이름을 붙인 건 현재의 우주를 설명하는 데 꼭 필요한 요소지만 실체를 확인하지 못했기 때문이다. 이런 이유로 암흑물질 검출은 노벨상의 지름길로 불린다.
 
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암흑물질 검출기가 어두컴컴한 지하 공간에 설치된 건 그 특성 때문이다. 암흑물질은 다른 물질을 만나 반사되는 빛이나 전파와 달리 물질과 전혀 반응하지 않는다. 이런 이유로 검출이 매우 까다로워 특수한 크리스털을 제작해 검출 장비로 활용한다. 크리스털은 빛이나 각종 방사능 물질에 민감하게 반응하는데 지하로 내려가면 내려갈수록 이런 물질을 차단할 수 있다. 흙과 암석이 잡음 물질을 걸러주는 일종의 거름종이 역할을 한다. 깊이 내려갈수록 유리해 중국은 지하 2.4㎞ 지점에 암흑물질 검출기를 설치했다. 미국과 일본도 각각 지하 1.4㎞, 1㎞ 지점에 검출기를 두고 있다.

암흑물질 지하 실험실은 패널 형태의 가건물을 이어 붙여 만들었다. 민감한 장비 보호를 위해 방진복을 껴입고 올봄 가동 예정인 검출기 실험실로 들어갔다. 이 연구단 박정식 박사가 가동 예정인 암흑물질 검출기를 점검하고 있었다. 킴스2호기(KIMS-NaI)라 불리는 새 검출기는 2003년부터 가동되고 있는 킴스1호기(KIMS-CsI)에 비해 크기가 컸다. 킴스2호기는 한 변의 길이가 3m 정도인 정육면체 모양의 거대 금속 형태다. 두께 10㎝ 정도의 크리스털 수십 개를 중심에 놓고 구리 와 납 벽돌 등으로 차폐한다.

박 박사는 “암흑물질이 크리스털에 부딪칠 경우 미세한 빛이 발생하는데 이를 통해 암흑물질을 확인하는 게 검출기 작동 원리”라고 설명했다. 검출기를 납 등으로 둘러싼 이유는 동굴 등에서 나오는 자연 방사능과 우주 입자 등을 차단하기 위해서다.

그럼에도 수많은 우주입자가 검출기를 지나며 빛을 발생시킨다. 작동 중인 킴스1호기에는 하루에도 수만 건의 신호가 포착된다. 이런 데이터를 1년 동안 모으면 CD롬 10만 장 분량이 된다. 이를 분석해 암흑물질을 찾는 건 쉬운 일이 아니다.
 
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#왜 암흑물질을 찾아야 하나=물리학자들은 암흑물질의 유력한 후보로 가상의 입자 윔프(WIMP·Weakly Interacting Massive Particles)를 꼽고 있다. 해석하면 ‘약하게 상호 작용하는 무거운 입자’다. 우주에 널려 있는 윔프는 지구도 관통할 수 있는 작은 입자다. 초당 수억 개의 윔프가 우리 몸을 지나고 있지만 몸 속 물질과 반응하지 않아 느낄 순 없다. 암흑물질을 찾는다면 은하의 생성 등 우주의 비밀을 푸는 데 한걸음 더 다가갈 수 있다. 김영덕 지하실험연구단장은 “왜 은하단이 생겨났는지 현재 과학으로 설명하지 못한다”며 “암흑물질을 찾으면 은하의 생성 원리 등 우주를 이해하는 큰 퍼즐 조각을 가질 수 있게 된다”고 말했다. 
 
◆암흑물질(dark matter)=양성자와 중성자 등 실체가 확인된 물질보다 6배 더 많이 우주에 존재할 것으로 추정되는 물질이다. 전자기파로 관측이 불가능하고 다른 물질과 반응하지 않아 아직까지 그 실체가 확인되지 않았다.

◆암흑에너지(dark energy)=우주를 빠른 속도로 팽창시키는 힘. 과학자들은 암흑에너지가 존재할 것으로 추정하고 있지만 암흑물질처럼 그 실체가 확인되진 않았다.

양양=강기헌 기자 emckk@joongang.co.kr.
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