04. 암흑물질 미스터리 , 지하 1km에서 진행되는 가장 조용한 실험 — 암흑물질 직접 검출

암흑물질 직접 검출 실험 — 지하 1km의 극한 탐색

암흑물질이 지금 이 순간에도 지구를 통과하고 있다면, 우리는 그것을 느낄 수 있을까. 암흑물질 직접 검출 실험은 이 질문에 정면으로 답하려는 시도다. 초고감도 검출기를 지하 1km 이상의 깊이에 설치하고, 암흑물질 입자가 원자핵에 충돌하는 순간을 기다린다.

암흑물질 직접 검출이란 암흑물질 입자가 검출기 안의 원자핵을 건드릴 때 발생하는 극미한 신호를 포착하는 방식이다. 충돌이 일어나면 원자핵이 튕겨 나가며 빛과 전기 신호를 동시에 낸다. 이 두 신호의 비율을 분석하면 배경 잡음과 구분할 수 있다. 문제는 이 신호가 거의 없는 것에 가깝다는 점이다.

XENON, LUX-ZEPLIN(LZ), PandaX 같은 최첨단 실험들이 수십 년째 가동되고 있지만 지금까지 통계적으로 유의미한 신호는 나오지 않았다. 이 침묵이 실패인지, 아니면 또 다른 정보인지는 해석의 문제다.

 

암흑물질 직접 검출 실험 — 지하 깊은 곳의 대형 액체 제논 검출기 시설

암흑물질 직접 검출 실험이 지하에서 진행되어야 하는 이유

지표면에서는 매 순간 수천 개의 우주선(宇宙線, cosmic ray)이 쏟아진다. 태양이나 초신성에서 날아온 고에너지 입자들이 대기와 반응하며 지표까지 도달한다. 검출기가 지표에 있으면 이 입자들이 만들어내는 신호에 암흑물질 신호가 완전히 묻힌다. 암흑물질과 원자핵의 충돌이 남기는 신호는 너무 작아 우주선의 잡음 속에서는 식별이 불가능하다.

지하로 들어가면 암석이 우주선을 차단한다. 지하 1km 이상의 깊이에서는 대부분의 우주선이 암석에 흡수되고, 중성미자처럼 모든 물질을 통과하는 일부 입자들만 남는다. 그래서 암흑물질 직접 검출 실험은 예외 없이 깊은 지하에 자리 잡는다. 이탈리아의 그란사소(Gran Sasso) 지하 연구소, 캐나다의 SNOLAB, 중국 쓰촨성의 금평산(錦屏山) 지하 실험실, 미국 사우스다코타의 SURF(Sanford Underground Research Facility) 등이 대표적이다.

지하에 들어가도 과제는 끝나지 않는다. 검출기를 둘러싼 암석 자체에 방사성 원소가 미량 포함되어 있다. 검출기 재료에도 극미량의 방사성 불순물이 섞일 수 있다. 실험 환경 전체를 방사성 배경으로부터 차단하는 것이 실험의 절반이라고 해도 과언이 아니다. 그래서 검출기 주변에는 물 탱크나 납 차폐재가 한 겹씩 더해진다.

액체 제논 검출기의 작동 원리와 신호 분석 방법

현재 주류 직접 검출 실험들은 액체 제논(xenon)을 검출 매질로 사용한다. 제논을 선택한 이유는 명확하다. 원자번호가 54로 커서 암흑물질 입자와 충돌할 확률이 비교적 높고, 충돌이 일어났을 때 빛 신호와 전기 신호를 동시에 낸다. 이 두 신호의 비율이 충돌 종류를 구분하는 핵심이다.

원리를 따라가면 이렇다. 암흑물질 입자가 제논 원자핵을 건드리면 원자핵이 튕겨 나간다. 이 과정에서 두 가지 신호가 생긴다. 첫 번째는 섬광(scintillation)이다. 원자핵의 운동 에너지 일부가 빛으로 전환되어 검출기 상하에 설치된 광증배관(PMT, photomultiplier tube)에 잡힌다. 두 번째는 이온화 신호다. 충돌로 생긴 자유 전자들이 전기장을 따라 이동하면서 두 번째 빛 신호를 만든다. 두 신호를 함께 분석하면 배경 방사선이 만드는 전자 반동과, 암흑물질이 만들어야 할 원자핵 반동을 구분할 수 있다.

XENON1T, XENONnT, LUX-ZEPLIN(LZ), PandaX-4T가 모두 이 방식을 사용한다. 각 실험마다 제논의 양을 늘리고 차폐를 강화하면서 감도를 높여왔다. XENONnT는 약 8.6톤의 액체 제논을 활성 영역에 사용하고, LZ는 약 10톤을 사용한다.

 

액체 제논 암흑물질 검출기 단면도 — 내부 구조와 신호 경로 다이어그램

지금까지의 침묵이 암흑물질 연구에 주는 정보

실험들이 지금까지 기록한 것은 침묵이다. WIMP와 원자핵의 충돌로 해석할 수 있는 신호가 통계적으로 유의미하게 나온 적이 없다. 한 가지 예외가 있었다. 이탈리아의 DAMA/LIBRA 실험은 1990년대부터 연간 주기로 변하는 신호를 측정해왔고, 이것이 지구의 공전에 따라 달라지는 암흑물질 신호라고 주장했다. 그러나 다른 실험들이 동일한 파라미터 영역을 탐색했을 때 같은 신호를 재현하지 못했고, DAMA/LIBRA의 해석은 현재 주류 학계에서 받아들여지지 않는다.

이 침묵을 어떻게 해석할지는 두 가지 방향이 있다. 첫 번째는 WIMPs가 기대했던 성질을 가지지 않는다는 것이다. 처음에 WIMP 기적이 시사했던 질량과 상호작용 강도 범위를 실험들이 점점 배제해 나가면서, 그 범위 안에 WIMPs가 있다면 이미 검출됐어야 한다는 제약이 강해졌다. 두 번째는 WIMPs가 더 약하게 상호작용하거나 다른 방식으로 숨어 있다는 것이다. 파라미터 공간 중 아직 탐색되지 않은 영역이 남아 있다.

직접 검출 실험이 배제한 영역은 넓어졌다. "이 질량 범위에서 이 강도 이상의 상호작용을 하는 WIMPs는 존재하지 않는다"는 제약이 실험마다 갱신되고 있다. 찾지 못했다는 결과도 정보다. 그 정보는 WIMPs의 가능한 영역을 좁히면서, 결국 그것이 무엇인지 또는 무엇이 아닌지를 알아가는 과정이다.

 

암흑물질 직접 검출 실험 배제 구간 그래프 — XENON LZ 실험 감도 한계선

마무리

지하 1km의 극한 환경에서 진행되는 암흑물질 직접 검출 실험은 여전히 가동 중이다. 침묵이 계속되는 것은 좌절이기도 하지만, 동시에 WIMPs가 있다면 어디에 숨어 있는지를 점점 좁혀가는 지도이기도 하다.

그런데 WIMPs만이 암흑물질의 유일한 후보는 아니다. 이 탐색이 계속 빈손인 상황에서 다른 후보들에 대한 관심이 높아졌다. 그중 하나가 MOND라는 이름으로 알려진 수정 중력 이론이다. 다음 편에서는 암흑물질 대신 중력 법칙 자체를 수정하는 접근, MOND를 살펴본다.

 

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