우주의 수수께끼 ‘암흑물질’

중력법칙 위배된 별의 움직임에 영향
20년 전 다마 실험팀 ‘윔프’ 발견 주장
양양 지하 실험서 반박할 자료 찾아내“푸른 하늘 은하수, 하얀 쪽배에….”

빛 공해 없는 야외로 나가 밤하늘을 쳐다보면 하늘을 가로지르는 아름다운 은하수와 수많은 별들이 눈으로 쏟아져 들어온다. 수조개에 이르는 별과 행성들이 우주를 가득 채우고 있는 것 같지만 우리 눈에 보이는 ‘일반 물질’은 4~5% 정도에 불과하고 나머지 96%가량은 암흑에너지와 암흑물질로 가득 차 있다. 암흑에너지와 암흑물질은 보이지도 않고 만져질 수도 없지만 우주 곳곳에 퍼져 있는 수수께끼 같은 존재다.

암흑물질 존재 가능성은 1933년 프리츠 츠비키 미국 캘리포니아공과대(칼텍) 교수가 처음 제기했지만 학계의 관심을 받지 못했다. 그러다가 1950년대 말 미국 천문학자 베라 쿠퍼 루빈 박사가 은하 안쪽 별의 회전속도를 측정한 결과를 발표하면서 다시 주목받게 됐다.루빈 박사는 은하를 이루는 별들은 은하 중심을 공전하고 있는데 기존 중력법칙에 따르면 별들의 속도는 중심에서 멀어질수록 느려져야 하지만 은하 중심쪽 별들과 바깥쪽 별들의 속도가 거의 같다는 사실을 발견했다. 일부 과학자들은 중력법칙을 수정해 이런 현상을 설명하려고 했지만 모두 실패했다. 중력법칙을 수정하기 위해서는 기존 중력법칙이 부분적으로라도 틀렸음을 보여야 하는데 그런 증거를 찾지 못했기 때문이다. 결국 새로운 물질의 존재를 가정할 수밖에 없었는데 그것이 바로 암흑물질과 암흑에너지이다.1995년 이탈리아 그랑사소 입자물리연구소를 중심으로 한 국제공동연구팀이 지하실험실에 설치한 검출기로 암흑물질을 탐색하는 ‘다마’(DAMA) 실험을 시작했다. 암흑물질의 발견은, 다마연구팀이 1998년 계절별로 변하는 신호를 발견해 이를 암흑물질의 후보입자 중 하나인 낮은 질량의 ‘윔프’(WIMP)를 발견했다고 주장한 것이 유일하다. 지구가 공전궤도를 지나면서 서로 다른 암흑물질 지역을 통과해 신호가 달라진다는 주장이다. 20년이 지난 지금까지도 세계 각국의 연구자들이 다마실험팀이 측정한 에너지 범위에서 윔프신호를 발견하지 못해 암흑물질을 실제로 찾은 것이냐에 대한 논란은 계속되고 있다.

이 같은 상황에서 기초과학연구원(IBS) 지하실험연구단을 주축으로 한 미국, 브라질, 인도네시아, 영국, 일본, 캐나다 연구진으로 구성된 ‘코사인100’ 국제공동연구팀이 다마실험팀의 발견을 반박할 수 있는 결과를 세계적인 과학저널 ‘네이처’ 6일자에 발표했다.

코사인100 연구팀은 2016년부터 강원도 양양에 있는 지하 700m 깊이의 실험실에서 다마팀의 결과를 검증하는 실험을 시작했다. ‘코사인100 실험’이라고 이름 붙여진 이 실험은 고순도의 결정에 암흑물질이 부딪혔을 때 빛을 낸다는 점에 착안해 암흑물질 존재를 규명하는 것이다. 그 결과 다마팀이 발견한 신호가 암흑물질 때문이 아닐 가능성이 높다는 데이터를 찾은 것이다.

이현수 IBS 지하실험연구단 부연구단장은 “이탈리아 다마실험을 완벽히 재현할 검출기를 자체 개발해 독립적 실험을 통해 데이터를 얻었다는 데 학계가 주목하고 있다”며 “암흑물질의 발견은 물리학계에 크게 영향을 미칠 놀라운 사건이니 만큼 추가적인 데이터를 확보해 5년 내에 다마팀의 주장을 완벽하게 확인할 수 있을 것”이라고 말했다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr