암흑물질 첫 포착! 원자력 발전소에서 우주 비밀 해독

우주는 우리가 알고 있는 물질(별, 행성, 은하 등)로만 이루어져 있지 않습니다. 과학자들은 우주의 약 27%가 ‘암흑물질’로 구성되어 있다고 추정합니다. 하지만 우리는 암흑물질을 직접 본 적이 없습니다.

 

기초과학연구원(IBS) 연구진은 기존의 실험 방식과는 전혀 다른 새로운 방법을 시도했습니다. 바로 원자력 발전소에서 암흑물질을 탐색하는 것이었습니다. 이 방법이 기존 연구보다 효과적인 이유는 무엇일까요? 연구진은 어떻게 암흑물질을 찾았을까요? 이번 연구를 통해 밝혀진 내용을 하나씩 살펴보겠습니다.

 

 

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암흑물질이란 무엇인가?

암흑물질은 눈에 보이지 않지만, 강력한 중력을 가지고 있어 우주에 미치는 영향이 큽니다. 과학자들은 은하의 회전 속도를 측정하면서 우리가 알고 있는 물질보다 훨씬 더 많은 보이지 않는 질량이 존재한다고 추정하게 되었습니다.

 

암흑물질이 밝혀지면 실생활에 어떤 변화가 있을까?

암흑물질을 이해하면 우주가 어떻게 형성되었는지를 밝힐 수 있을 뿐만 아니라, 다음과 같은 실생활 변화도 기대할 수 있습니다.

• 첨단 기술 발전: 암흑물질이 전자와 어떻게 상호작용하는지를 알게 되면, 새로운 물질을 만들거나 혁신적인 에너지원 개발에 활용될 수 있습니다.
• 우주여행의 혁신: 암흑물질이 우주 공간에서 어떻게 작용하는지를 알게 되면, 우주 비행을 위한 새로운 추진 기술을 개발할 수 있습니다.
• 중력과 에너지 활용: 암흑물질의 중력적 특성을 활용하면, 에너지 저장이나 우주 공간에서 새로운 동력 시스템을 개발할 가능성이 있습니다.

원자로에서 암흑물질을 찾는 새로운 실험

이번 실험은 전남 영광군 한빛 원자력 발전소에서 진행되었습니다. 연구진은 원자로에서 방출되는 방사선을 이용하여 암흑물질을 생성하고, 이를 포착할 수 있는 검출기를 설치했습니다.

 

원자로와 NEON 검출기

 

▲ NEON 검출기 모식도

 

위 그림은 NEON 검출기와 원자로의 관계를 보여줍니다.

• 왼쪽: 원자로 내부 구조로, 붉은색으로 표시된 부분이 핵분열이 일어나는 ‘원자로 코어’입니다.
• 오른쪽: NEON 검출기의 구조로, 암흑물질 신호를 감지하는 장비입니다.
• NEON 검출기는 원자로에서 방출된 고에너지 광자가 암흑물질과 상호작용하는 신호를 잡아냅니다.

세계 최고 수준의 탐색 감도 달성

연구진은 약 1년 4개월 동안 데이터를 수집하고 분석했습니다. 그 결과, 기존 실험보다 **1,000배 높은 민감도**를 기록하며, 가벼운 암흑물질을 탐색하는 데 성공했습니다.

 

암흑물질 탐색 결과

 

▲ NEON 실험 암흑물질 탐색 결과

 

위 그래프는 암흑물질과 전자 간의 상호작용을 측정한 결과입니다.

• 검은색 실선(NEON): 이번 연구에서 NEON 검출기로 얻은 실험 결과.
• 보라색 선(TEXONO): 기존 연구 결과로, NEON 실험이 더욱 높은 감도를 기록했음을 보여줍니다.
• 그래프를 보면 NEON 실험이 암흑물질 탐색의 새로운 기준을 제시했음을 확인할 수 있습니다.

연구진 소개

• 이현수 부연구단장: 기초과학연구원(IBS) 지하실험 연구단 소속, 이번 연구를 주도.
• 고영주 연구위원: 연구 데이터 분석과 신호 검출 기술을 개발.
• 국내 공동 연구진: 서울대학교, 중앙대학교, 한국원자력연구원, 국가연구소대학교(UST) 등.

논문 정보

• 논문 제목: First Direct Search for Light Dark Matter Using NEON Experiment at a Nuclear Reactor
• 게재 저널: Physical Review Letters
• 발행일: 2024년 1월 14일
• 저자: Jae Jin Choi, ChangHyon Ha, Eunju Jeon, Jinyu Kim, Kyungwon Kim 등

암흑물질 연구의 새로운 시대

이번 연구는 원자로에서 암흑물질을 탐색하는 혁신적인 방법을 제시하며, 기존의 실험 방식과 비교했을 때 훨씬 높은 탐색 감도를 달성했습니다.

 

향후 연구에서는 더 많은 데이터를 수집하고, 보다 정밀한 분석을 통해 암흑물질 연구를 더욱 발전시킬 계획입니다. 이 연구는 우주의 신비를 푸는 데 중요한 전환점이 될 것입니다.