IBS, 암흑물질 후보 '액시온' 연구…우주의 시작 밝힐까

"우리가 볼 수 있는 우주는 전체의 5%뿐입니다.

눈으로는 볼 수 없지만 분명히 존재하는 나머지 95%의 암흑물질과 암흑에너지를 밝혀내는 것이 저희가 하는 일입니다."

IBS(기초과학연구원) 액시온 및 극한상호작용연구단이 주최한 '암흑물질'(dark matter) 연구 학회인 '파트라스 워크숍(Patras Workshop on Axions, WIMPs ans WISPs)'이 20일 제주 스위트호텔에서 열렸다.

참석한 해외 석학들은 암흑물질을 찾아내기만 한다면 우주 생성의 비밀을 풀 열쇠가 될 것이라고 입을 모았다.

암흑물질은 우주의 27%를 구성하는 물질로, 빛과 상호작용하지 않기 때문에 눈에 보이지 않고 중력만으로 존재를 감지할 수 있다.

우리가 사는 태양계가 은하 주위를 빛의 속도보다도 빠른 속도로 회전하는데도 튕겨 나가지 않는 것은 은하 중심의 중력만으로는 설명하기 어렵다.

우주 전체를 감싸고 있는 암흑물질이 잡아당기고 있기 때문이라는 것이 과학계의 정설이다.

김진의 경희대 석좌교수는 "은하계가 만들어지기 전 전자와 양성자가 충돌했고, 충돌로 흩어져 있던 물질들이 다시 은하계를 이루는데 작용한 것이 바로 암흑물질"이라면서 "우리가 살고 있는 은하계의 '씨앗'이 암흑물질이라고 볼 수 있다"고 설명했다.

김진의 교수는 암흑물질의 유력한 후보물질 가운데 하나인 '액시온'(Axion)을 이론적으로 처음 제안한 물리학자이다.

야니스 세메르치디스(Yannis K.Semertizids) 단장이 이끄는 IBS 액시온 및 극한상호작용연구단이 찾으려는 것도 바로 이 액시온이라는 물질이다.

액시온은 질량이 가벼워 매우 약하게 상호작용을 하기 때문에, 이를 찾아내기 위해서는 우선 강력한 자기장을 걸어 액시온 장의 일부를 광자로 바꾸어야 한다.

이를 민감도가 높은 수신기를 이용해 검출해 내는 것이 연구단의 목표이자 세계 과학자들의 난제인데, 이를 위해서는 극저온의 환경과 강한 자기장 안에서 작동하는 고품질의 공진기를 구현해내는 기술이 관건이다.

연구단은 유럽원자핵공동연구소(CERN)와의 공동연구를 통해 CERN의 강력한 자석과 연구단의 고주파 공진기 및 극저온 장치 기술을 결함, 액시온을 찾을 가능성을 높일 수 있을 것으로 기대하고 있다.

CERN의 콘스탄틴 지우타스(Konstantin Zioutas) 박사는 "CERN에서 앞으로 3년 동안 우주 '암흑에너지'(Dark energy)에 대한 검출 실험도 진행할 예정인데, 액시온 공동연구와 함께 우주의 감춰진 부분에 대한 이해를 도울 수 있을 것"이라고 말했다.

암흑물질이 은하계를 잡고 있는 것이라면 암흑에너지는 우주를 밀어내는 힘, 즉 반중력(antigravity)에 대한 힘으로 우주의 68%를 차지한다.

과학자들은 '만약 암흑물질을 찾아낸다면 IBS가 목표로 하는 노벨상을 받는 과학자를 배출할 수 있겠느냐'는 기자의 질문에 '절대적으로 그렇다'라며 적극 동의했다.

김진의 교수는 "최근 과학계의 핫이슈인 중력파 발견은 고전역학의 방정식이 맞다는 것을 입증한 것 그 이상도 이하도 아니다"라면서 "액시온을 발견하게 된다면 입자물리학계의 혁명적인 사건이 될 것으로 당연히 노벨상감"이라고 말했다.

세메르치디스 박사도 "우리가 왜 암흑물질을 찾아야 하는지, 왜 기초과학에 투자해야 하는지 묻는다면 나는 자연이 우리에게 주는 가장 기본적이고 어려운 질문에 답하기 위해 노력해야 하기 때문이라고 생각한다"면서 "암흑물질 연구는 다음 세대이자 인류의 미래를 위한 것"이라고 덧붙였다.

악셀 린드너(Axel Lindner) 독일전자가속기연구소(DESY) 단장은 "암흑물질을 발견하게 되면 빅뱅 이후 그 짧은 시간 동안 우주에 어떤 일들이 일어났는지 알 수 있다"면서 "암흑물질을 통해 우주의 생성과 역사에 대해 이해하고 한 걸음 다가갈 수 있을 것"이라고 말했다.

과학자들은 IBS 액시온 연구단이 최고의 액시온 실험장비를 사용하고 있는 미국 워싱턴대의 '액시온 암흑물질 실험'(ADMX)과 견주어도 경쟁력이 떨어지지 않을 것으로 내다봤다.

CERN 콘스탄틴 박사는 "한국은 액시온 연구가 시작된 곳 아니냐"면서 "현재 미국 ADMX는 기준점일 뿐이지만 기초과학연구원과 CERN은 국제 공동연구를 통해 새로운 아이디어로 더 나은 실험동기를 부여하고 추진할 것"이라고 강조했다.

올해로 12회째 열린 파트라스 워크숍은 암흑물질 연구분야 세계 최대학회로, 이번에 아시아 최초로 한국에서 21개국 120여명의 연구자들이 참석한 가운데 열렸다.

워크숍에서는 암흑물질 분야 국제 연구동향을 공유하고, IBS 액시온 연구단의 연구 현황 소개가 이어졌다.

연구자들은 오는 8월 미국 시카고에서 열리는 물리학 분야 최고학회인 '고에너지 물리학 컨퍼런스'(ICHEP, 아이챕)의 '암흑물질 검출(Dark matter Detection)' 세션에도 참가한다.

2018년 열리는 아이챕은 IBS가 주관해 개최할 예정이다.

(제주연합뉴스) 박주영 기자 jyoung@yna.co.kr

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