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[IT뉴스][사이언스샷] 암흑물질 단서 포착, IBS 포함 국제 연구진

온카뱅크관리자

2026-09-02 07:27:25

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> 미 지하 실험시설서 후보물질 윔프 푸측 발견으로 인정받기엔 아직 미흡 추가 실험 데이터 분석에 기대 
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 <img alt="지하연구시설에 설치되기 전 지상실험실에 놓인 LUX-ZEPLIN 주검출기. 보호복을 착용한 연구자가 배선이 드러난 원통형 장비 주변에서 작업하고 있다. 장비를 둘러싼 벽면은 빛을 반사하는 테플론 소재다./Sanford Underground Research Facility" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202609/02/chosunbiz/20260902072309065mmxd.jpg" data-org-width="1060" dmcf-mid="5vVdjVZvcn" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202609/02/chosunbiz/20260902072309065mmxd.jpg" width="658">
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 지하연구시설에 설치되기 전 지상실험실에 놓인 LUX-ZEPLIN 주검출기. 보호복을 착용한 연구자가 배선이 드러난 원통형 장비 주변에서 작업하고 있다. 장비를 둘러싼 벽면은 빛을 반사하는 테플론 소재다./Sanford Underground Research Facility
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 별과 은하를 만든 미지의 존재가 정체를 드러낸 것일까. 한국을 포함한 LUX-ZEPLIN(LZ) 국제 공동 연구진이 암흑물질의 유력한 후보물질인 윔프(WIMP)의 흔적을 포착했다고 지난 1일 일본에서 열린 입자물리학 국제학술대회에서 발표했다.
 과학자들은 우주의 물질 중 관측이 가능한 것은 15%에 그친다고 본다. 나머지 85%는 빛도 내지 않아 보이지 않는 암흑물질이다. 이들이 물질을 끌어당겨 별과 은하를 만들었다고 본다. 입자끼리 서로 끌어당기는 힘인 중력은 별을 만들기에는 부족하기 때문이다.
 ◇양성자보다 무거운 입자 흔적 포착
 이날 LZ 국제 공동 연구진은 미국 사우스다코타주 샌퍼드 지하 연구 시설에 있는 LZ 검출기에서 암흑물질이 제논 입자와 상호작용을 하면서 나타나는 섬광을 포착했다고 밝혔다. 검출기에서 248keV(킬로전자볼트)의 에너지가 발생한 사건이었다. LZ 연구진은 이 섬광을 일으킨 암흑물질 입자의 질량이 최소 200GeV(기가전자볼트)에 해당해야 한다고 본다. 1GeV는 대략 양성자 질량에 해당한다.
 현재 암흑물질의 1순위로 꼽히는 존재는 윔프는 ‘약한 상호작용을 하는 무거운 기본 입자’를 뜻하는 영문의 약자이다. 다른 물질과 거의 반응을 하지 않으면서 중력을 가질 만큼 무거운 입자라는 말이다. 윔프는 전자나 양성자보다 훨씬 무겁지만, 빛이나 다른 물질과 거의 상호작용하지 않아 검출이 어렵다. 다만 아주 드물게 물질 속 원자핵과 충돌해 생긴 극히 미약한 섬광을 전기적 신호로 변환해 초정밀 검출기로 포착할 수 있다.
 LZ 검출기는 지하 약 1.5㎞에 약 10t의 초고순도 액체 제논을 채워놓은 장치이다. 지하 깊은 곳에 있어 우주에서 오는 다른 입자를 차단할 수 있다. 제논이 있는 탱크 안에는 입자가 충돌할 때 발생하는 미세한 빛과 전기 신호를 포착하는 광전자증배관(PMT)이 있다. 빛의 최소 단위인 단일 광자 수준의 빛을 감지하고 이를 전기 신호로 수백만 배 이상 증폭해 변환하는 초고감도 광센서이다.
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 <img alt="LZ 검출기 안에서 윔프가 제논 원자와 충돌하면 섬광과 전자가 방출된다./ISLAC National Accelerator Laboratory" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202609/02/chosunbiz/20260902072310493bvdd.jpg" data-org-width="500" dmcf-mid="15sp9Ycnoi" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202609/02/chosunbiz/20260902072310493bvdd.jpg" width="658">
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 LZ 검출기 안에서 윔프가 제논 원자와 충돌하면 섬광과 전자가 방출된다./ISLAC National Accelerator Laboratory
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 ◇확실한 발견 수준까지는 못 가
 연구진은 2023년 3월부터 2024년 4월까지 220일 동안 수집한 데이터를 분석해 암흑물질 신호가 나타날 것으로 예상되는 영역에서 입자 상호작용 하나를 포착했다. 연구진은 이 신호가 실제 암흑물질이 만든 것이라면 윔프의 질량은 원자핵의 양성자보다 200배 이상 무겁다고 추정했다.
 LZ 공동연구팀 책임자인 릭 게이츠켈(Rick Gaitskell) 미국 브라운대 교수는 “암흑물질 신호가 나타날 것으로 예상되고, 다른 원인에 의한 신호는 매우 적은 영역에서 이번 신호가 포착돼 주목하고 있다”고 말했다.
 다만 이번 결과는 아직 과학적 발견으로 인정될 수준은 아니다. 물리학에서 새로운 발견이 되려면 불일치 정도가 불확실성의 5배, 즉 5시그마가 돼야 한다. 일반적으로 어떤 실험의 신뢰도가 3시그마(99.7%)면 ‘힌트’의 범주에 들어가고, 5시그마(99.99994%) 이상이면 ‘발견’으로 인정된다. 현재 LZ에서 포착된 이 신호는 2.6시그마(99.07%) 수준인데, 이는 우연의 산물로 나타날 확률이 약 200분의 1 정도라는 것을 의미한다.
 하지만 논문 제1저자인 샘 에릭슨(Sam Eriksen) 영국 브리스틀대 선임연구원은 “기존 분석에서 다루지 않았던 데이터 영역을 새롭게 분석했으며, 관측된 신호의 원인을 밝히기 위해 수개월간 가능한 모든 원인을 면밀히 검토했다”며 “검출기의 특성과 암흑물질로 오인될 수 있는 신호를 정밀하게 파악하고 있기 때문에 모든 검증을 통과한 하나의 특이 신호도 중요한 의미를 갖는다”고 밝혔다.
 연구진은 현재까지 암흑물질 탐색 실험 가운데 가장 많은 관측자료를 확보한 데 이어, 미국 샌퍼드 지하 연구 시설에서 윔프 탐색을 지속하며 이번 신호의 진위를 추가로 검증할 계획이다.
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 <img alt="이탈리아의 암흑물질 검출 시설인 그랑사소 지하실험실./XENON 공동연구진" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202609/02/chosunbiz/20260902072311815npts.jpg" data-org-width="2437" dmcf-mid="tYxsyaV7kJ" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202609/02/chosunbiz/20260902072311815npts.jpg" width="658">
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 이탈리아의 암흑물질 검출 시설인 그랑사소 지하실험실./XENON 공동연구진
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 ◇다른 검출기에서도 발견 기대
 다행인 점은 이번 분석이 LZ가 이미 수집한 데이터의 3분의 1만을 다뤘다는 사실이다. 또 이탈리아와 중국, 한국 등 전 세계의 다른 암흑물질 탐지기도 각자의 데이터를 보유하고 있다. 같은 에너지 범위에서 몇 건의 사건이 더 관측된다면, 윔프 발견의 신뢰도를 5시그마까지 끌어올릴 수 있다. 이는 물리학과 우주에 대한 우리의 이해를 완전히 바꿀 수 있다.
 이번 연구에는 기초과학연구원(IBS) 지하실험 연구단 김영덕 단장 연구진도 참여했다. 김 단장은 “IBS는 아시아 연구기관으로는 유일하게 연구에 참여한 데 이어, 차세대 실험인 XLZD에도 함께하고 있다”며 “윔프 관측에서 우수한 성능을 보이고 있는 액체제논 검출기 실험에서 한국이 더 주도적인 역할을 할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
 더글라스 레오나르드 IBS 연구위원은 “아직 우리가 이해하지 못하는 무언가가 나타난 것이고, 어느 쪽으로 판명이 나든 우리는 새로운 것을 배우고 발견하고 있다”고 했다.
 이번 연구 결과는 아직 정식 논문으로 발표되지는 않고 사전 공개 사이트인 아카이브(arXiv)에 먼저 공개됐다. 연구진은 국제 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’에 논문을 투고한 상태라고 밝혔다.
 암흑물질과 암흑에너지는 천문학계에서도 뜨거운 연구 주제이다. 과학자들은 우주에서 우리가 관측할 수 있는 물질은 5%에 불과하고 70%는 밀어내는 힘을 가진 암흑 에너지라고 본다. 나머지 25%는 빛을 내지 않으면서 물체를 끌어당기는 암흑물질로 불린다. 지난달 30일 미국이 발사한 낸시 그레이스 로먼 우주망원경은 암흑에너지와 암흑물질을 추적할 예정이다.
 참고 자료
 LUX-ZEPLIN(2026), <a href="https://lz.lbl.gov/wp-content/uploads/sites/6/2026/08/LZ_Preprint_260901_Dark_Matter_EFT_N" rel="" target="_blank" title="https://lz.lbl.gov/wp-content/uploads/sites/6/2026/08/LZ_Preprint_260901_Dark_Matter_EFT_N">https://lz.lbl.gov/wp-content/uploads/sites/6/2026/08/LZ_Preprint_260901_Dark_Matter_EFT_N</a>
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