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암흑물질 비밀 풀 실마리, 국내 연구진이 찾았다

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2017년 03월 21일 18:00 프린트하기

NEOS 암흑물질 검출실험에 쓰인 원자로와 검출기의 구조 - 기초과학연구원 제공
NEOS 중성미자 검출실험에 쓰인 원자로와 검출기의 구조 - 기초과학연구원 제공

‘암흑물질’의 비밀을 풀 실마리를 국내 연구진이 찾아냈다. 관련 분야 기초과학 연구 진전에 큰 보탬이 되리란 기대다.  

 

암흑물질은 이론적으로 우주 총 질량의 80%에 달하는 걸로 추정되는 물질이지만 육안이나 전파측정 등의 방법으로 존재를 알 수 없다. 우주의 비밀을 밝히기 위해선 반드시 찾아내야 할 물질로 꼽힌다.

 

기초과학연구원(IBS) 오유민 지하실험 연구단 연구위원팀은 암흑물질 후보로 꼽히는 ‘비활성 중성미자’를 찾기 위한 실험을 거듭한 결과, 그동안 과학계에서 유력한 암흑물질 존재 영역으로 꼽혔던 영역에 이 물질이 존재하지 않는다는 사실을 알아냈다고 21일 밝혔다. 앞으로 일부분 남은 좁은 실험 영역만 확인하면 실제로 암흑물질을 찾아낼 수 있을지 여부를 보다 정확하게 판단할 수 있는 가능성을 제시한 것이다.

 

중성미자는 핵입자가 붕괴되며 사라진 질량이 입자로 바뀌어 우주를 떠도는 것이다. 이 중에서도 암흑물질의 후보로 꼽히는 비활성 중성미자를 찾기 위해 ‘단거리 중성미자 진동실험(NEOS)’이라는 방법을 이용한다. 주로 붕괴가 빠르게 일어나는 핵물질을 이용해 실험하는데, 원자로에서 튀어나오는 입자의 에너지를 24m 거리에서 측정한 다음, 그 스펙트럼과 진동 정도를 분석해 비활성 중성미자가 섞여있는지 여부를 알아낸다.

 

비활성 중성미자는 중성자보다 질량이 무겁다. 전자나 중성자 등 원자를 구성하는 입자보다 무겁다는 것은 자체 질량이 있는 '물질'이라는 의미. 그러나 세계 과학자들이 20여년 동안 분석과 실험을 반복했지만 과학적인 방법으로 실체를 확인하지는 못했다.


IBS 연구팀은 영광 한빛 원자력발전소에서 10개월 동안 비활성 중성미자 검출 실험을 진행했다. 그 결과 검출 확률이 가장 높다고 여겨졌던 실험 영역에선 비활성 중성미자가 전혀 존재하지 않음을 알아냈다. 연구진은 이번 실험에 따라 앞으로 1eV²(일렉트렉볼트제곱) 영역 안에서는 비활성 활성미자를 발견할 수 없다고 공언했다.

 

연구팀은 새롭게 4~6메가일렉트론볼트(MeV) 영역을 주목했다. 이 부근에서 이론적 계산 값과 실험 예측 값이 차이를 보이는 사실도 확인했다. 따라서 IBS 연구진은 지금까지의 학계 이론 연구에 보완이 필요하다는 입장이다.

 

오유민 IBS 연구위원은 “기존의 이론 연구 오류를 실험으로 확인한 것”이라면서 “이번 연구결과는 앞으로 원자로를 활용한 중성미자 진동 실험에 참고할 중요 데이터가 될”이라고 말했다.

 

이 연구성과는 국제 물리학 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters) 온라인 판에 21일 게재됐다.

 

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