IBS 지하실험연구단, 암흑물질 후보 검증 반환점 돌았다
국제공동연구진과 실험 신뢰도 68%로 높여… 3년 내 암흑물질 검증 가능
기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 지하실험 연구단(단장 김영덕)이 이끄는 국제공동연구진이 암흑물질 후보의 연간 신호를 분석하고 검증 신뢰도를 1 시그마1)(68.3%)로 높여, 암흑물질의 수수께끼를 푸는 데 한 발 더 다가섰다.
연구진은 강원도 양양에서 암흑물질 관측 재현에 착수한 이후 2년간의 데이터 분석을 내놓았으며, 그 결과를 17일(한국시간) 미국 물리학회 학술지 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters, IF=9.227)에 게재했다.
암흑물질은 우주의 약 27%를 차지하는 것으로 추정되지만 지금까지 암흑물질의 흔적을 발견한 연구는 이탈리아 그랑사소 지하실험실의 DAMA(다마)2) 실험이 유일하다. 하지만 실험을 재현하기 까다로워 그간 세계 유수의 연구팀이 DAMA 실험을 재현하는 데 실패했다.
지하실험연구단과 국제공동연구진의 ‘COSINE-100’ 실험은 DAMA와 동일한 고순도 요오드화나트륨 결정 제작에 성공하여 2016년 9월 실험을 시작했다. 이는 DAMA 실험과 동일한 조건에서 연간 변화하는 입자 신호를 측정, 완벽하게 검증할 수 있는 최초의 실험으로 세계의 주목을 받고 있다. 첫 보고로서 COSINE-100 연구진은 착수 후 59.5일 동안의 입자 신호를 기반으로 DAMA가 틀렸을 가능성을 작년 네이처 誌에 게재3)한 바 있다. 그러나 완벽한 검증을 위해서는 연간변조신호가 필수적이어서 최종 결론에는 도달하지 못했다.
암흑물질 후보 윔프는 연간 입자 신호의 변화를 분석해 찾아낼 수 있다. 암흑물질로 채워진 은하를 태양계가 돌고 태양계 안을 지구가 돌면서, 은하 기준으로는 지구가 태양보다 빠르거나 느리게 연중 다른 속도로 움직인다. 때문에 윔프 입자가 존재한다면 겨울에는 190 km/s, 여름에는 250 km/s 속도로 지구에 진입하게 되고, 이 신호 패턴을 연간변조신호라고 한다. DAMA 실험은 지난 1998년부터 윔프의 연간변조신호를 측정해 왔다.
연구진은 이번에 2016년 10월부터 2018년 8월까지 약 2년 동안 연간변조신호 데이터를 얻었다. 윔프의 연간 신호 변화를 잡아내기 위해 다른 계절적 요인을 최대한 차단했다. 실험실 온습도는 1% 오차 이내에서 제어하고 뮤온, 중성자, 라돈 등 주변 방사능은 면밀히 계산해 데이터를 보정했다. 교신저자인 조재현 예일대 연구원은 “검출기에 들어가는 잡음을 1% 이내로 유지하도록 데이터를 보정하는 과정이 가장 어려웠다”고 말했다. 연구진은 이렇게 얻은 연간변조신호를 DAMA와 동일한 모형을 사용해 분석했다.
분석한 코사인-100 실험의 연간변조신호를 DAMA 신호와 비교했더니, DAMA가 측정한 신호에 오차범위 내로 접근해 추후 DAMA와 일치할 가능성이 생겼다. 이번 분석 결과는 1 시그마(68.3%)를 약간 상회하는 신뢰도로, 코사인-100 실험의 중간보고 성격이다. 오차 자체가 크기 때문에 DAMA 실험이 맞을 가능성도 틀릴 가능성도 아직 배제할 수 없다. 추후 분석 결과가 DAMA와 비슷한 값을 가진다면 윔프 존재를 뒷받침하는 증거가 될 수 있다.
연구진은 이 추세라면 3년 안에 데이터 신뢰도 3 시그마(99.7%)를 달성해, DAMA 실험을 완벽하게 검증할 수 있을 것으로 예상하고 있다. 만약 3년 뒤 COSINE실험이 DAMA와 최종적으로 다른 관측을 한다면, DAMA 팀이 관측한 것은 윔프가 아니라는 얘기가 된다. 이 경우 DAMA가 관측한 신호가 무엇인지를 알아내는 것까지가 연구팀의 목표다.
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1) 시그마(sigma) : 정규분포에서 평균 양쪽으로 표준편차(시그마) 만큼 떨어진 곳 사이에 분포된 데이터 비율을 말한다. 보통 어떤 실험의 신뢰도가 3 시그마(99.7%)면 ‘힌트’라고 하고, 5 시그마(99.99994%)면 ‘발견’이라고 한다. 중력파는 5.1시그마, 힉스 입자는 5.9시그마로 발견됐다.
2) DAMA(다마) : 이탈리아 그랑사소 입자물리연구소의 지하실험실에서 진행되는 암흑물질 검출 실험. 250kg의 고순도 요오드화나트륨 결정을 사용한다. 1998년 암흑물질 후보 ‘윔프’를 발견했다고 주장했으며, 지금까지 측정을 계속하고 있다.
3) An experiment to search for dark-matter interactions using sodium iodide detectors (Nature 564, 83-86, 2018.12.06.)