윔프 탐색을 위한 코사인 검출기 모식도. 사진 제공=IBS



[서울경제]
국내 연구진이 우주 비밀을 담은 암흑물질 후보로 꼽히는 ‘윔프(WIMP)’ 입자를 찾기 위한 탐색 성능을 세계 최고 수준으로 끌어올렸다.

기초과학연구원(IBS)은 지하실험연구단이 이끄는 코사인100 국제 공동 연구진이 3년간의 관측 데이터를 정밀 분석해 낮은 질량 윔프(WIMP) 탐색의 민감도를 세계 최고 수준으로 끌어올렸다고 5일 밝혔다. 연구성과는 국제 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’에 이달 릴게임신천지 2일(현지 시간) 게재됐다.
우주는 눈에 보이는 물질보다 훨씬 큰 중력이 작용하고 있다. 그 원인인 암흑물질의 정체를 밝히기 위해 전 세계 학계가 연구 중이다. 윔프는 암흑물질의 정체일 것으로 여겨지는 가상의 입자다. 전자기적 상호작용을 하지 않고 중력과 약한 상호작용만 하는 특성을 가졌을 것으로 추정되지만 아직 실체가 발견되지는 않았다. 릴게임갓
코사인100은 IBS 지하실험연구단이 주도하는 국제 공동 암흑물질 탐색 실험이다. 연구팀은 강원 양양군 지하 실험실(Y2L)에서 2016년부터 2023년까지 총 106kg의 고순도 요오드화나트륨(NaI(Tl)) 결정을 이용해 암흑물질 탐색을 수행했다.
윔프 중에서도 에너지 크기가 10GeV(기가전자볼트) 이하인 가벼운 검증완료릴게임 윔프가 암흑물질 유력 후보로 떠오르면서 해당 에너지 영역에 맞는 탐색 기술이 필요해졌다. 이 영역을 탐색하려면 검출기에서 발생하는 극도로 미약한 저에너지 신호를 잡음과 구분해 내는 고도의 기술력이 필수적이다.
연구팀은 이번 분석에서 머신러닝 기반의 신호 판별 기술을 새롭게 도입해 기술적 난관을 돌파했다. 검출기에서 발생하는 미세한 빛 신호 사이다쿨 의 파형을 인공지능으로 정밀 분석함으로써 기존 방식으로는 구분하기 어려웠던 잡음과 실제 신호를 0.7keV(킬로전자볼트)의 초저에너지 영역까지 정확히 분리해 내는 데 성공했다.
이는 암흑물질이 만들 수 있는 가장 희미한 신호까지 포착할 수 있는 독자적인 기술력을 확보했음을 의미한다. 확보된 저에너지 데이터를 바탕으로 가벼운 암흑물질의 흔적 카카오야마토 을 정밀 추적했다. 그 결과 스핀 의존 상호작용 분석에서는 2.5GeV 질량 영역에서 세계 선도 그룹과 어깨를 나란히 하는 최고 수준의 검출 제한값을 확보했다. 특히 원자핵과 암흑물질이 충돌할 때 전자가 방출되는 ‘미그달 효과’를 분석에 새롭게 포함해 탐색 가능 범위를 1GeV 이하의 가벼운 암흑물질 영역까지 대폭 확장하는 데 성공했다. 이는 그동안 탐색이 어려웠던 사각지대를 밝힐 수 있는 중요한 교두보를 마련한 것이다.
스핀 독립 상호작용 분석에서도 기존 코사인100 분석 결과 대비 약 10배 향상된 검출 민감도를 달성했다. 이 향상된 민감도를 바탕으로 연구진은 이탈리아 다마(DAMA) 실험이 주장해 온 암흑물질 신호 영역(3시그마 허용 영역) 전체에서 윔프 신호가 존재하지 않음을 확인하며, 지난 9월의 연간 변조 분석에 이어 또 다른 방식(표준 윔프 모델)으로도 DAMA 주장이 성립하지 않음을 검증하는 성과를 거뒀다.

이현수 IBS 지하실험 연구단 부연구단장은 “이번 연구의 핵심은 머신러닝을 통해 기존 한계를 뛰어넘는 저에너지 탐색 능력을 확보하고 이를 통해 가벼운 암흑물질 탐색의 새로운 가능성을 열었다는 데 있다”며 “특히 미그달 효과를 적용해 1GeV 이하 영역까지 탐색 범위를 확장한 것은 향후 암흑물질 연구의 중요한 이정표가 될 것이다”고 말했다. 김윤수 기자 sookim@sedaily.com 기자 admin@slotmega.info