우주 비밀 풀 '암흑물질' 찾아라

▶ 베일에 싸여 있는 암흑물질의 존재를 확인하게 될 탐지 장비가 지하 700m 깊이에 설치돼 있다. 곽정원 연구원이 기기를 살피고 있다. 김상선 기자

우주의 최대 수수께끼 중 하나인 암흑물질의 존재가 강원도 양양의 깊은 지하에서 베일을 벗게 될까.

㈜한국중부발전의 강원도 양양양수발전소 건설현장. 지난 주말 미국.일본.영국. 스페인.이탈리아.인도 등에서 온 20여 명의 암흑물질 연구자들이 이곳에 있는 한국에서 유일한 과기부 암흑물질탐색연구단(단장 서울대 김선기 교수)의 암흑물질연구실을 찾았다. 양수발전소를 건설하기 위해 트럭 두 대가 드나들 수 있게 판 터널 2㎞를 버스를 타고 들어가서야 갈 수 있었다. 지표면에 수직으로 치면 700m의 지하다. 20여 평의 2층 조립식 가건물 연구실은 사람이 드나들 수 있는 통로 외에는 모두 암흑물질 관측에 필요한 장비로 가득 차 있었다.

암흑물질은 우주의 95%를 가득 채우고 있을 것으로 추정하고 있는 보이지 않는 물질이다. 그 후보 물질로 '윔프''액시온''중성미자' 등이 꼽히고 있지만 그중에서도 '약한 상호작용을 하는 무거운 입자'라는 뜻을 가진 윔프(WIMP)가 유력하다. 암흑물질연구실에서는 전세계 그 누구도 보지도 듣지도 못한 윔프의 존재를 확인하려는 것이다. 윔프는 1초에 우리 머리 위로 수억 개가 쏟아져 내리지만 대부분 인체나 지구에 아무 흔적도 남기지 않고 지나가 버린다. 그러나 극히 드물게 그 흔적을 남긴다는 게 과학자들의 추정이다.

김 교수는 "태평양에서 바늘 하나를 찾는 정도의 확률로 윔프가 약 9㎏인 긴 벽돌크기의 요오드화세슘(CsI) 결정에 하루 몇 개 정도가 부딪쳐 그 흔적을 남길 것이다"고 말했다. 윔프가 요오드화세슘 결정의 원자와 부딪치면 아주 약한 빛을 내게 되는데 그 빛을 100만 배로 확대해 전기신호로 바꿔 탐지한다는 게 김 교수의 설명이다. 그러나 우리 주변에는 수많은 방사선과 중성자 등도 마구 돌아다닌다. 이들도 요오드화세슘 원자와 충돌하면 빛을 낸다.

암흑물질 탐지장비를 지하 깊숙이 설치한 까닭이다. 방사선과 중성자 등이 만드는 가짜 윔프의 신호를 최대한 줄이자는 것이다. 지하 700m로 들어가면 방사선의 양은 지상보다 1만분의 1로 줄어든다. 그것도 모자라 윔프 신호를 감지할 요오드화세슘 결정은 가로 2.6m,세로 2.3m, 높이 2.3m의 커다란 상자에 겹겹이 싸인 채 들어가 있다. 맨 겉에는 30cm 두께의 광물기름층, 그 안의 15cm 두께의 납층, 마지막으로 10cm 두께의 구리층 등이 감싸고 있다. 두꺼운 구리 상자 안에는 순수 질소를 흘려 공기 중의 불순물도 없앴다. 요오드화세슘 결정 수십kg을 차폐하기 위한 장치는 무려 40t에 이른다. 이 모두 김 교수팀이 직접 설계, 의뢰해 제작한 것들이다. 지하 연구실 터는 ㈜한국중부발전이 무료로 빌려 줬다.

김 교수가 이 장치의 내부를 열어 방문자들에게 보여주자 저마다 감탄을 했다. 요오드화세슘 결정을 사용하는 방법은 김 교수팀이 처음 시도하는 것이었다.

김 교수팀은 지난 1년 동안 이 장비를 가동해 하루에 수개 정도의 윔프가 부딪치면 그 신호를 탐지할 수 있을 정도로 기기의 성능을 안정시키는 데 성공했다. 원자가 부딪칠 때 나타나는 극히 미세한 변화를 탐지할 수 있어야 하기 때문에 그렇게 어려운 것이다.

암흑물질의 존재를 찾지 못하면 우주를 설명하는 데 큰 구멍이 생긴다. 태양계는 우리 은하의 가장자리를 초속 220~250km로 돌고 있는 데 그런 속도로 돌게 잡아끄는 중력이 어디에서 오는지 설명할 길이 없기 때문이다. 눈에 보이는 별들과 성간가스의 질량은 아무리 많게 계산해도 그런 중력을 만들어 내는 데 필요한 질량에 턱도 없이 미치지 않는다. 이는 그 무엇인가 알 수 없는 암흑물질이 있다는 것을 의미한다.

암흑물질연구팀원인 세종대 물리학과 김영덕 교수는 "윔프를 찾을 수도 못 찾을 수도 있지만 우리 앞에 그 모습을 드러낼 것으로 기대하며 깊은 지하 연구실을 지킨다"고 말했다.

박방주 과학전문기자 <bpark@joongang.co.kr>
사진=김상선 기자 <sskim@joongang.co.kr>