IBS 지하실험연구단 "3년 내 암흑물질 검증 예상"

암흑물질 흔적 발견한 DAMA 실험 재현 2016년부터···실험 신뢰도 68%
추가 신호와 분석 방식 따라 DAMA 뒷받침 또는 반박 해석 나온다
COSINE-100(코사인-100) 실험이 이뤄진 지하 700m 깊이 양양 지하실험실(Y2L). 암흑물질 윔프를 관측하는 코사인 실험, 중성미자를 관측하는 아모레 실험이 이곳에서 진행되고 있다. <사진=IBS 제공>COSINE-100(코사인-100) 실험이 이뤄진 지하 700m 깊이 양양 지하실험실(Y2L). 암흑물질 윔프를 관측하는 코사인 실험, 중성미자를 관측하는 아모레 실험이 이곳에서 진행되고 있다. <사진=IBS 제공>

국내 연구진이 암흑물질 후보 검증에 속도를 내고 있다.

IBS(원장 김두철)는 지하실험연구단(단장 김영덕)이 이끄는 국제 공동연구진이 암흑물질 후보의 연간 신호를 분석하고 검증 신뢰도를 1 시그마(68.3%)로 높였다고 22일 밝혔다.

암흑물질은 우주의 약 27%를 차지한다고 추정된다. 하지만 지금까지 암흑물질의 흔적을 발견한 연구는 이탈리아 그랑사소 지하실험실의 DAMA 실험이 유일하다. 실험을 재현하기도 까다로워 그동안 세계 유수 연구팀이 'DAMA 실험' 재현에 실패했다.

IBS 공동연구진은 'COSINE-100' 실험을 통해 DAMA와 동일한 고순도 요오드화나트륨 결정을 제작, 2016년 9월 강원도 양양에서 암흑물질 재현 실험을 시작했다. 이 실험은 DAMA와 동일한 조건에서 연간 변화하는 입자 신호를 측정해 완벽하게 검증할 수 있는 최초의 실험으로 주목받는다. 

작년 COSINE-100 연구진은 실험을 착수한 후 59.5일 동안 얻은 입자 신호를 기반으로 DAMA가 틀렸을 가능성을 네이처에 게재했다. 그러나 완벽한 검증을 위한 연간변조신호가 필요해 최종 결론에는 도달하지 못했다.

연구진은 이번에 COSINE-100 실험의 연간변조신호를 처음으로 분석해 보고했다. 실험 결과 DAMA에서 20년간 축적한 입자 신호가 양양의 재현 실험에서 관측한 신호의 오차 범위 내에 들어갔다. 이탈리아에서 관측한 신호가 암흑물질일 가능성을 일부 뒷받침하는 결과라고 분석된다.

실험을 주도한 이현수 부연구단장은 "이번 연구는 DAMA 실험과 동일한 고순도 결정 검출기에서 데이터를 얻어, 동일한 분석방법을 적용한 최초의 실험"이라며 "완벽한 검증까지 3년이 걸릴 것으로 예상된다. 그 과정에서 추가로 얻는 신호와 분석 방식에 따라 앞으로 DAMA를 뒷받침하거나 반박하는 해석이 나올 수 있다"고 내다봤다.

암흑물질 후보 '윔프'는 연간 입자 신호의 변화를 분석해 찾아낼 수 있다. 암흑물질로 채워진 은하를 태양계가 돌고 태양계 안을 지구가 돌면서, 은하 기준으로 지구가 태양보다 빠르거나 느리게 연중 다른 속도로 움직인다.

따라서 윔프 입자가 존재한다면 겨울에는 190㎞/s, 여름에는 250㎞/s 속도로 지구에 진입하게 된다. 이 신호 패턴을 연간변조신호라고 한다. DAMA 실험은 1998년부터 윔프의 연간변조신호를 측정해 왔다.

공동연구진은 2016년 10월부터 2018년 8월까지 약 2년 동안 연간변조신호 데이터를 얻었다. 윔프의 연간 신호 변화를 잡아내기 위해 다른 계절적 요인을 최대한 차단했다.

실험실 온습도는 1% 오차 이내로 제어하고 뮤온·중성자·라돈 등 주변 방사능을 면밀히 계산해 데이터를 보정했다. 교신저자인 조재현 예일대학교 연구원은 "검출기에 들어가는 잡음을 1% 이내로 유지하도록 데이터를 보정하는 과정이 가장 어려웠다"고 회상했다. 

연구진은 연간변조신호를 DAMA와 동일한 모형을 사용해 분석했다. COSINE-100 실험의 연간변조신호를 DAMA 신호와 비교한 결과, DAMA가 측정한 신호에 오차범위 내로 접근해 추후 DAMA와 일치할 가능성을 보였다. 이번 분석 결과의 신뢰도는 1 시그마(68.3%)를 약간 넘는다.

하지만, 오차가 크기 때문에 DAMA 실험이 맞는지 틀린지는 아직 확정할 수 없다. 추후 분석 결과가 DAMA와 비슷한 값을 내면 윔프의 존재를 뒷받침하는 증거가 될 수 있다.

연구진은 이 추세라면 3년 안에 데이터 신뢰도 3 시그마(99.7%)를 달성, DAMA 실험을 완벽하게 검증할 것이라고 밝혔다. 만약 3년 뒤 COSINE 실험이 DAMA와 최종적으로 다른 관측을 보인다면, DAMA 팀이 관측한 것은 윔프가 아니라고 판명된다. 이 경우 연구팀은 DAMA가 관측한 신호가 무엇인지도 알아낼 계획이다.

COSINE(코사인) 검출기의 모식도. <그림=IBS 제공>COSINE(코사인) 검출기의 모식도. <그림=IBS 제공>
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