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우주에는 눈에 보이지 않지만 중력으로 영향을 미치는 ‘암흑물질’이 전체 물질의 83%를 차지하고 있습니다. 과학자들은 이탈리아, 중국, 미국의 깊은 지하에 거대한 검출기를 설치해 암흑물질을 찾고 있지만, 최근 검출된 신호는 암흑물질이 아니라 ‘중성미자’라는 다른 입자였습니다. 가장 유력한 후보였던 ‘윔프(WIMP)’를 찾기가 점점 어려워지면서, 과학자들은 ‘액시온’과 같은 다른 후보 입자들로 탐색 범위를 넓히고 있습니다. 이제 암흑물질 연구는 하나의 후보에 집중하던 방식에서 다양한 가능성을 열어두는 방향으로 크게 변화하고 있습니다.
왜 중요한가요?
암흑물질의 정체를 밝히면 우주가 어떻게 만들어졌고 왜 지금과 같은 모습인지를 근본적으로 이해할 수 있으며, 이 과정에서 개발되는 초정밀 센서와 검출 기술은 의료 영상이나 통신 등 우리 일상의 기술 발전에도 기여할 수 있습니다.
주요 용어 설명
암흑물질 (Dark Matter)
눈에 보이지 않고 빛과 거의 반응하지 않지만 중력으로 주변에 영향을 주는 물질입니다. 마치 투명인간이 주변 물건을 밀거나 당기는 것처럼, 보이지는 않지만 은하의 움직임 등을 통해 존재를 알 수 있습니다. 우주 전체 물질의 약 83%를 차지하는 것으로 추정됩니다.
윔프 (WIMP, Weakly Interacting Massive Particle)
‘약하게 상호작용하는 무거운 입자’라는 뜻으로, 오랫동안 암흑물질의 가장 유력한 후보였습니다. 다른 물질과 거의 부딪히지 않는 유령 같은 입자로, 지하 깊은 곳에 설치된 액체 제논 검출기로 찾으려 했지만 아직 발견되지 않았습니다.
중성미자 안개 (Neutrino Fog)
암흑물질 검출기의 감도가 매우 높아지면서 중성미자가 만드는 신호가 암흑물질 신호와 구별하기 어려워지는 현상입니다. 비유하자면, 조용한 방에서 작은 소리를 듣고 싶은데 끊임없이 들리는 배경 소음 때문에 원하는 소리를 구별할 수 없는 상황과 비슷합니다.
액시온 (Axion)
전자보다 수조 배 이상 가벼운 극히 작은 입자로, 윔프 다음으로 주목받는 암흑물질 후보입니다. 강한 자기장 속에서 특정 주파수에 맞추면 라디오처럼 신호를 잡아낼 수 있을 것으로 기대되고 있습니다.
초대칭 이론 (Supersymmetry, SUSY)
우주에 존재하는 모든 알려진 입자에 아직 발견되지 않은 ‘쌍둥이 짝입자’가 있다고 예측하는 이론입니다. 마치 모든 사람에게 보이지 않는 쌍둥이가 있다고 주장하는 것과 비슷한데, 대형 강입자 충돌기(LHC) 실험에서 이 짝입자들이 발견되지 않으면서 이론의 신뢰도가 낮아지고 있습니다.
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이탈리아 아펜니노산맥의 깊은 지하와 중국 쓰촨성 진핑산맥 아래, 그리고 미국 사우스다코타주의 한 광산 바닥에서는 우주의 비밀을 밝히기 위한 탐사가 진행되고 있다.
세 장소의 두꺼운 암반층 아래 깊숙이 격리된 공간에는 모두 액체 제논으로 채워진 거대한 검출기가 설치돼 있다. 연구진은 오랫동안 존재가 예측돼 왔지만 아직 직접 확인하지 못한 암흑물질을 최초로 검출하기 위해 이 장비들을 가동하고 있다. 암흑물질은 빛과 거의 상호작용하지 않아 직접 볼 수 없는 물질이다. 하지만 중력으로 주변 물질에 영향을 미치며 은하와 은하단 같은 우주의 거대한 구조가 형성되는 과정에 중요한 역할을 한 것으로 추정된다.
연구진이 가장 유력한 후보로 주목하는 것은 ‘약하게 상호작용하는 무거운 입자’란 뜻의 ‘윔프(WIMP·Weakly Interacting Massive Particle)’다. 이론상 윔프가 검출기 내부의 제논 원자와 충돌하면 매우 미약한 빛과 전기 신호를 남길 것으로 예상된다.
수년간 실험을 이어온 끝에 검출기에서는 최근 매우 드문 신호가 실제로 포착되기 시작했다. 처음에는 암흑물질이 마침내 발견된 것 아니냐는 기대도 나왔다. 그러나 분석 결과, 이 신호의 주인공은 암흑물질이 아니었다.
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