우주 기원 밝힐 암흑물질, 국내 한빛 원자로에서 세계 처음 발견

국내 연구진이 우주의 숨겨진 기원을 밝힐 암흑물질을 국내 원자로에서 찾았다. 미세한 신호지만, 세계 처음 발견했다. 기초과학연구원(IBS)은 지하실험 연구단(단장 김영덕)이 이끄는 국내 공동연구진이 상용 원자로를 활용한 네온(NEON) 실험을 통해 가벼운 암흑물질을 탐색하는데 성공했다고 6일 밝혔다. 실험을 주도한 고영주 연구위원 "기존 가속기 실험이나 천문학적 관측으로 접근하기 어려웠던 초경량 암흑물질을 탐색할 새로운 가능성을 세계 최초로 열었다"고 설명했다. 암흑물질은 우주의 질량·에너지 구성에서 약 27%를 차지한다. 그러나 지금까지 암흑물질 성질이나 상호작용을 직접 관찰한 사례는 없다. 연구진이 수행한 네온 실험은 1~1천 keV/c²(킬로전자볼트/광속제곱)에 해당하는 초경량 영역 암흑물질 탐구를 위해 독창적으로 설계했다. 실험은 전남 영광군 소재 한빛 원자력본부 제3발전소에서 진행됐다. 연구진은 2.8 기가와트(GW) 열출력의 원자로에서 약 23.7m 떨어진 지점에 탈륨-도핑 요오드화나트륨 섬광 검출기를 설치했다. 검출기는 배경 방사선을 최소화하도록 액체 섬광체, 납, 폴리에틸렌으로 구성된 다층 차폐 구조를 갖췄다. 고영주 연구위원은 "이후 1년 4개월 동안 암흑물질 신호 데이터를 수집했다"며 "원자로의 가동 기간 데이터와 정지 기간 데이터를 비교 분석해 신호 데이터의 신뢰도를 높였다"고 말했다. 연구진은 이 실험결과 1~10 keV의 에너지 범위에서 미세한 신호를 정밀히 분석하는 데 성공했다. 실험을 주도한 이현수 부연구단장은 "원자로에서 발생하는 고에너지 광자가 암흑광자를 매개로 가벼운 암흑물질을 생성하고, 이 암흑물질이 전자와 상호작용할 가능성을 실험으로 직접 탐색한 세계 최초의 연구"라고 부연 설명했다. 핵분열 과정에서 방출된 고에너지 광자가 전자와 상호작용해 암흑광자가 생성될 수 있고, 이 암흑광자는 가벼운 암흑물질로 붕괴할 수 있다는 이론적 제안을 실험적으로 입증한 것. 연구진은 암흑물질 신호와 배경 잡음을 구별하는 독창적 알고리즘을 데이터 분석에 도입해 신호 해석 능력을 크게 향상시켜 대만 연구진의 텍소노 실험 대비 약 1천배 더 높은 탐색 감도를 기록했다고 언급했다. 이현수 부연구단장은 “기존 암흑물질 연구의 한계를 극복하고, 우주 형성의 비밀을 풀어가는 획기적인 전환점이 될 것”이라고 전했다. 연구 결과는 물리학 분야 국제 학술지 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 지난 1월 14일 게재됐다.