서울대학교

세계 최고의 과학전문 저널인 사이언스에서는 우주의 신비를 밝히기 위한 물리천문학부 김선기 교수의 '암흑물질' 연구를 취재하여 매거진 기사로 보도하였다.
이들은 직접 한국을 찾아 김교수가 양양군에서 암흑물질을 탐색하는 과정을 취재하고, 직접 개발한 '윔프'탐색실험에 대해 자세히 소개하였다.
암흑물질이란 우주의 질량의 대부분을 차지하고 있지만, 그 정체를 아직 모르는 물질로서 그 정체규명은 우주의 생성과 진화를 이해하는 데 매우 중요하다.
엄청나게 많은 우주선과 방사능 잡음 속에서 우주에서 온 암흑물질을 탐지해 내는 것은 고도의 전문성을 요하는 것으로, 김선기 교수팀은 이 분야에서 앞선 연구성과로 세계의 주목을 받고 있다.

아래는 기사의 일부분이며, 원문과 번역본 전문은 각각 PDF로 첨부되어 있음.

암흑 물질(Dark Matter) : 암흑을 붙잡기 위한 경주

-암흑 물질은 그 자신의 중력을 통해 은하들을 함께 붙들어 두는 역할을 한다. 암흑 물질의 정체에 대해서는 수 십 년간 이론적인 고찰이 계속되었다. 이제 입자물리학자들이 암흑 물질의 구성요소를 밝혀내기 위해 경쟁적으로 연구하고 있다. (Science)

한국의 양양군과 미국 일리노이 주 바타비아 - 점봉산 안쪽 깊은 곳, 섬뜩한 붉은 빛으로 가득 찬 지하실에서, 거대한 검은 입방체가 열리기 시작한다. 두꺼운 납과 광물기름으로 채워진 벽과 바닥, 그리고 나머지 구조물에서 몇 인치 떨어진 곳에, 희미하게 빛나는 좀 더 작은 구리로 된 입방체가 보인다. 한 젊은 남자가 올라서서 쇠사슬을 두 손으로 번갈아 잡아당기자, 강철의 덜커덕거리는 소리가 들리는 가운데, 구리 입방체의 모습이 나타난다. 진귀한 주화나 성자의 유품들이 이 거룩함과 조화될 수 있겠지만, 이곳, 한국 북동부 수력 발전소를 위해 깊게 파인 터널 안의 한 곁방에 있는, 이 보물은 오직 입자 물리학자에게만 소중할 뿐이다. 구리 입방체 안에는 탈륨이 첨가된 다수의 요오드화세슘 결정들이 놓여 있고, 이들은 결정 안에서 생성된 가장 미세한 섬광이라도 기록할 전자 장치로 배선되어 있다. 연구자들은 이들을 다시 봉인하고 초속적(超俗的)인 탐구를 시작하기 전에, 결정 배열에 몇 가지의 마지막 조정을 가하고 있었다.

검은 입방체 안의 15센티미터의 감마선 차단 납판과 중성자 차단 광물기름, 납판으로부터의 X선을 흡수하는 10센티미터의 구리판, 구리 상자 안의 질소 파이프, 붉은 빛, 그리고 지하실과 외부 사이의 700미터의 바위는 모두 단 하나의 목적을 가진다. 결정체 안의 ‘가짜 섬광’의 수를 최소화하는 것이다. 이곳 ‘킴스(KIMS : Korea Invisible Mass Search)’ 실험 장치에서, 연구자들은 그 동안 아무도 확실히 보지 못한 암흑 물질 입자를 최초로 목격하기를 희망하고 있다.

수년간에 걸친 준비 후에, 서울대 물리학자 김선기 교수와 그의 ‘킴스(KIMS)’ 동료들은 이곳에서 지난달 100킬로그램의 결정 배열을 갖고 데이터를 수집하기 시작했다. 매일 그들은, 세슘과 요오드 핵을 건드림으로써 빛을 내보내는 한두 개의 ‘윔프(WIMP : Weakly Interacting Massive Particle) - 암흑 물질의 제 1후보’신호를 기록하기를 희망한다. 이는 수많은 모델들이 예측하듯이, 암흑 입자들이 일반 입자들과 반응한다고 가정을 하고 있는 것이다. 김선기 교수는, “만약 그들이 물질과 상호작용하지 않는다면, 우리는 그들을 찾을 희망이 없다.”고 말한다.

‘킴스’ 실험은 암흑 물질 입자들을 찾기 위해 경주하는 몇몇의 실험들 중 하나이다. 김선기 교수의 팀처럼, 여러 나라의 그룹들이 이른바 직접 탐색에 나서고 있으며, 일반 원자핵을 밀치는 암흑 입자들을 목격하기 위해 노력하고 있다. 다른 그룹들은 하늘로 향한 간접 탐색에서, 은하의 중심에서 암흑 물질들이 서로 소멸하는 신호들을 찾고 있다. 한편, 세상에서 가장 강력한 입자 가속기인, 스위스 제네바 부근 LHC(Large Hadron Collider)에서는 다음 봄에 가동하는 대로, 암흑 물질을 만들어 낼 가능성도 있다.

10년 간 암흑 물질을 추적해 온, CDMS(Cryogenic Dark Matter Search) 프로젝트의 공동 대변인인, 미국 캘리포니아 주 Palo Alto에 있는 스탠포드 대학의 Blas Cabrera는, “이것은 주요한 이론적인 예측이 드디어 엄밀히 탐구되는 신기원입니다.”고 말한다. “최고의 추측이 가까이에 있습니다.” 이러한 전망은 연구자들을 전율시키고 있다. 미국 일리노이 주 바타비아의 페르미 연구소(Fermilab - Fermi National Accelerator Laboratory)의 최근의 한 워크샵에서, 170명의 참석자 중 절반 이상이 5년 안에 암흑 물질 입자가 발견된다는 쪽에 내기를 걸었다.

하지만 발견은 보장되지 않는다. 호의적인 이론적인 모형들은 실험가들이 곧 암흑 물질을 손아귀에 넣을 것이라고 제안하지만, 다른 이들은 그 유령 같은 입자들이 너무 잡히기 힘들어서 연구자들이 그들을 손에 넣기를 희망할 수 없다고 예측한다. 이것은 성공이냐 실패이냐의 상황으로, 미국 일리노이 주의 시카고 대학의 우주학자 Rocky Kolb는, “5년 안에 우리가 암흑 물질이 무엇인지를 알던지, 혹은 우리가 절대로 알지 못할 것인지 중 하나이다.”고 말했다.

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2007년 7월6일
Science Magazine vol.617