Part 4. 그들은 더 완벽한 우주이론을 꿈꾼다

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1. 지하 700m서 암흑물질 캔다

지난 12월 7일 오전 11시. 기자는 땅속 동굴로 들어가고 있었다. ‘빛이 없는 곳에서 빛을 찾는 실험실’을 보기 위해서.

“표지판 보이시죠? 지상에서 1.8km를 내려왔습니다.” 기자를 안내한 강운구 기초과학연구원(IBS) 지하실험연구단 연구위원은 자동차 앞유리 너머에서 헤드라이트 불빛을 받아 빛나고 있는 표지판을 가리켰다.

차에서 내리자 울퉁불퉁 깎인 암석이 사방을 둘러싼 모습이 한눈에 들어왔다. 머리 위에서는 동굴 틈새에서 새어나온 지하수가 똑똑 소리를 내며 떨어지고 있었다. ‘진짜 동굴에 왔구나’ 하는 실감이 났다. 이곳은 지하실험연구단이 강원도 양양군 점봉산 지하 700m 지점에 구축한 국내 최고 깊이의 암흑물질 탐색 실험실이다.

현대 입자물리학의 성배, 암흑물질을 찾아서

우주를 구성하는 성분의 26.8%를 차지하는 암흑물질은 우주 관측 결과를 토대로 존재한다는 사실 정도만 밝혀져 있을 뿐, 표준모형으로는 설명할 수 없다. 따라서 암흑물질을 실제로 발견한다면 새로운 물리학, 표준모형 너머(Beyond the Standard Model)의 세계가 열린다.

암흑물질을 측정하고, 그 성질을 분석하면 인류는 이를 설명하는 또다른 물리학 법칙을 손에 넣게 되는 것이다. 아인슈타인의 일반상대성이론이 등장해 뉴턴의 운동방정식만으로는 설명할 수 없는, 더 넓고 큰 세상을 설명할 수 있게 된 것처럼 말이다. 이런 의미에서 암흑물질은, 적어도 현시점에서는 ‘입자물리학의 성배’라고 할 수 있다. IBS 지하실험연구단은 이 성배를 차지하기 위해 2012년 9월부터 지금까지 실험을 진행해 오고 있다.

연구단이 사용하는 동굴은 양수발전소 시설의 일부다. 지상과 연결된 도로 역할을 하는 큰 동굴을 기준으로 마치 잔가지처럼 뚫려 있는 작은 동굴 중에서 두 곳을 사용하고 있다. 안전모를 쓴 뒤 실험실이 있는 동굴 내부로 걸어 들어가자 갑자기 후끈해졌다. 강 연구위원은 “온도가 30℃ 정도”라며 “1년 내내 온도가 높아 실험실 안에는 항상 에어컨을 틀어 놓는다”고 말했다.

연구단이 찾고 있는 입자는 암흑물질의 유력한 후보로 꼽히는 ‘윔프(WIMP)’다. 윔프는 약하게 상호작용하는 무거운 입자(Weakly Interacting Massive Particle)의 줄임말이다. 42세 나이에 사고로 목숨을 잃은 한국계 미국인 물리학자 이휘소 박사와 스티븐 와인버그 교수가 1977년 함께 쓴 논문에서 처음 제안했다. 애초 두 사람은 윔프가 아주 무거운 중성미자일 것이라고 예측했지만, 중성미자의 질량이 그렇게 크지 않다는 사실이 밝혀지면서 그 가능성이 사라졌다. 대신 물리학자들은 다른 새로운 입자일 가능성에 주목했다. ‘무겁고, 전기적으로 중성이며, 다른 물질과 거의 상호작용하지 않는 안정된 입자’라는 윔프의 특징은 암흑물질이 가져야 하는 조건과 일치했던 것이다.
 

이미지 확대하기점봉산 지하 700m 지점에 있는 암흑물질 검출 시설. 검출기 내부에서 윔프 입자와 요오드화세슘(CsI). 원자핵이 충돌하면 그때 나오는 빛 신호를 포착한다.점봉산 지하 700m 지점에 있는 암흑물질 검출 시설. 검출기 내부에서 윔프 입자와 요오드화세슘(CsI). 원자핵이 충돌하면 그때 나오는 빛 신호를 포착한다.
 

단 한 번의 신호를 찾아서

그런데 왜 꼭 실험실을 땅속 깊은 곳에 만들어야만 했을까. 그이유는 최대한 다른 입자들의 방해를 받지 않기 위해서다. 매순간 지구로 들어오는 입자는 그 종류가 수백 가지나 되는데, 지하 깊은 곳까지 들어올 수 있는 입자는 암흑물질과 중성미자, 뮤온 등 몇 가지뿐이다. 여기서 뮤온과 중성미자는 검출기에서 어떤 신호를 내는지 이미 알려져 있기 때문에 암흑물질이 내는 신호와 구분할 수 있다. 강 연구위원은 “오직 중력하고만 상호작용하는 윔프는 1년에 한두 번 정도 물질의 원자핵과 충돌할 것으로 예상된다”며 “암흑물질이 검출기 내의 원자핵과 충돌할 때 나오는 미약한 빛 신호를 검출하면 암흑물질의 존재를 확인할 수 있다”고 설명했다. 연구단은 현재 가로세로 8cm, 길이 30cm인 직육면체 모양의 요오드화세슘(CsI) 결정 12개로 만든 검출기를 이용해 암흑물질을 탐색하고 있다. 검출기는 1년 365일 작동하면서 측정된 신호를 대전 IBS 본원으로 전송하고, 대전에서는 암흑물질이 남긴 신호가 없는지를 분석한다. 하지만 아직까지는 암흑물질이라고 할 만한 신호는 나타나지 않았다.

암흑물질 실험을 이끄는 지하실험연구단의 이현수 부단장은 현재 요오드화나트륨(NaI) 결정을 이용하는 새로운 검출기를 제작 중이다. 이 장치로 암흑물질을 발견했다고 주장하는 이탈리아 암흑물질 연구팀 다마(DAMA)의 실험 결과를 2016년 말부터 재현해 볼 계획이다. 다마팀은 1996년부터 2003년까지 실험한 결과 암흑물질로 추정되는 신호를 확인했다고 밝혔는데, 다른 연구팀은 다마팀이 측정한 에너지 범위에서 아무런 신호를 발견하지 못해 논란이 있었다.

만약 연구팀이 다마팀의 실험을 재현하는 데 성공하면 암흑물질 발견 선언에 한걸음 더 다가갈 수 있게 된다. 김영덕 단장(세종대 학연교수)은 “현재 암흑물질의 성격을 전혀 모르기 때문에, (특수한 성질로 인해) 다른 실험에서는 암흑물질 신호를 보지 못했을 수 있다”며 “현재로서는 발견한 게 맞다고 할수도, 틀렸다고 할 수도 없는 상태라 직접 만들어 확인하는 것이 확실한 방법”이라고 말했다.
 

2. 우주의 퍼즐 조각 찾는다

유력한 암흑물질 후보 중에는 재미있는 이름을 가진 것도 있다. ‘발견만 된다면 모든 문제를 깨끗하게 씻어낸다’는 의미에서 세제 이름을 붙인 것이다. ‘액시온(Axion)’이라는 입자다. 현재 IBS에는 지하실험연구단 외에도 액시온 및 극한상호작용연구단이 암흑물질 탐색을 준비하고 있다. 대전 KAIST 캠퍼스에서 검출기 개발에 한창인 연구단을 찾아갔다.

암흑물질 후보로 급부상한 가상 입자

KAIST 자연과학동 4층에 자리 잡은 액시온 및 극한상호작용연구단에서 만난 도미니카 코니코프스카 연구위원은 “최근 들어 많은 연구자들이 액시온을 주목하고 있다”고 말했다. 액시온보다 상대적으로 많은 연구자들이 추적해 온 윔프가 발견되지 않으면서 액시온이 재조명되고 있다는 것이다. 액시온이 처음 등장한 것은 1977년 이휘소 박사를 추모하는 학술대회에서였다. 이른바 ‘대칭성 깨짐’에 대해 논의하던 학자들 사이에서 스티븐 와인버그와 프랭크 윌첵이 주장한 것이다. 예컨대 대칭성이 있다는 말은 특정한 집합에 있는 원소들을 좌표변환 등의 방법으로 변형시켜도 이전에 했던 계산들이 어김없이 성립한다는 뜻이다. 이때 전하켤레변환(C변환, -전하와 +전하같은 전기적 성질을 반전시키는 것)과 홀짝성변환(P변환, 거울을 두고 반전시키는 것)에 대한 대칭성이 깨진 것을 CP대칭성 깨짐이라고 부른다. 

현재 우리가 살고 있는 우주는 이런 대칭성이 깨져 있다. 표준모형은 강력과 약력, 전자기력에 대해 설명하지만, 유일하게 강력만은 완전하지 않다. 바로 강력에서 일어나는 강한 CP대칭성깨짐(Strong CP Violation)을 완벽하게 설명하지 못하고 있기 때문이다.

1977년 당시 약력에서의 CP대칭성 깨짐에 대한 메커니즘이 명확히 밝혀져 있던 것과 달리 강한 CP대칭성 깨짐에 대해서는 다양한 가설이 존재하는 상황이었다. 와인버그와 윌첵은 여러 가설 중에서도 로베르토 페체이와 할렌 퀸 박사가 제안한 페체이-퀸 가설을 도입해 이 문제를 해결할 경우 새로운 입자(액시온)가 있어야 한다고 주장했다. 하지만 두 사람이 말한 조건을 가진 액시온은 발견되지 않았다. 페체이-퀸 가설에 따라 등장하는 액시온 입자는 10-8초 만에 사라져버리기 때문이다.

그로부터 2년 뒤, 박사학위를 받은 지 얼마 되지 않은 연구원신분이었던 한국인 물리학자 김진의 박사(현재 경희대 석좌교수)가 새로운 가능성을 제시했다. 액시온이 우주의 나이보다 수명이 길고, 아주 가벼운 입자라는 연구 결과를 발표한 것이다. 그에 따르면 액시온은 우주의 나이보다 수명이 길고, 가볍지만 수많은 입자가 무리지어 느리게 움직이기 때문에 중력원으로 작용할 수 있다. 김 교수의 연구 결과가 발표된 뒤 액시온은 강력한 암흑물질 후보로 떠올랐다. 이름도 없이 사라질 뻔한 가상의 입자가 새생명을 얻게 된 것이다. 김진의 교수는 “액시온이 발견되면 암흑물질의 존재가 확인될 뿐 아니라 강한 CP대칭성 깨짐 문제까지 해결되므로 표준모형에서 강력을 완전하게 기술할 수 있게 된다”고 말했다.

이미지 확대하기액시온 검출기 개발을 위해 실험 중인 연구원들. 왼쪽부터 도미니카 코니코프스카, 정우현, 김영임 연구위원. 오른쪽은 검출기가 들어가는 냉각기 내부.액시온 검출기 개발을 위해 실험 중인 연구원들. 왼쪽부터 도미니카 코니코프스카, 정우현, 김영임 연구위원. 오른쪽은 검출기가 들어가는 냉각기 내부.


단 하나의 진동수를 찾아

현재 전세계에서 액시온 검출 실험을 하고 있는 연구팀은 그리 많지 않다. 한국 연구팀은 1월 말에 첫 번째 액시온 검출기를 들여와 시험가동을 할 계획이다.

연구단이 사용할 액시온 검출기의 작동 원리는 액시온이 변환된 빛(광자)을 확인하는 것이다. 이론적인 계산에 따르면 액시온 입자는 자연상태에서 1050초 정도의 시간(우주의 나이보다 길다!)이 흘러야 광자 두 개로 변환된다. 하지만 미국 플로리다대 물리학과 피에르스키비 교수는 몇 가지 조건이 맞아 떨어지면 광자로 변한 액시온을 검출할 확률이 높아진다는 연구 결과를 1983년에 내놨다.

스키비 교수의 계산은 질량을 가지고 운동하는 모든 입자는 비록 눈에 보이지 않더라도 진동한다는 개념에서 출발한다. 프랑스 물리학자 루이 드 브로이에 따르면 질량을 갖고 운동하는 모든 물질은 고유한 진동수를 갖고 진동한다. 액시온이 존재한다면 자신의 질량에 해당하는 진동수를 가지고 진동할 것이다.

스키비 교수는 강력한 자기장 안에 액시온의 진동수에 공명하는 구조물이 있는 조건에서 액시온이 광자로 변하면 검출 가능한 신호가 나타난다고 밝혔다.

이 현상은 유리잔이 특정 주파수의 소리에 깨지는 것과 비슷한 원리로 설명할 수 있다. 유리잔은 다른 소리에는 전혀 반응하지 않다가 특정 주파수의 소리를 만나면 그 에너지에 의해 산산조각 난다. 이처럼 자기장 내에 있는 구조물의 공명 진동수와 액시온의 질량이 맞아 떨어질 경우 공명이 일어나 광자가 공간에 있는 전기장을 흔들게 된다. 그리고 그 신호를 잡아내면 액시온이 있다는 것을 확인할 수 있다.

연구단은 구리로 속이 빈 원통형 구조물(마이크로파 공진기)을 만든 뒤 그 밖을 초전도 자석으로 둘러싸고, 온도를 영하273.1℃(50mK)까지 낮춰주는 냉동기에 넣는 방식으로 검출기를 만들고 있다. 정우현 연구위원은 “공진기 안에 넣은 사파이어 막대를 이용해 공진기의 공명 진동수를 조절할 수 있는데, 이 진동수를 조금씩 조정하면서 액시온 신호를 찾는다”고 설명했다.

마이크로파 공진기를 이용한 액시온 측정 방법의 장점은 다른 입자에 의한 신호는 발생하지 않는다는 점이다. 그리고 자석의 세기가 셀수록 액시온을 검출할 가능성이 높아지기 때문에 연구단은 강력한 자석을 개발하는 데 초점을 맞추고 있다. 김영임 연구위원은 “이론적으로 액시온을 검출할 수 있는 가능성은 자기장 세기의 제곱에 비례해 높아진다”며 “자기장 세기가 8T(테슬라)인 검출기부터 시작해 최종적으로 40T까지 총 7대의 검출기를 제작해 액시온을 탐색할 계획”이라고 말했다.


3. 직접 입자를 만든다

미래 물리학의 실마리를 찾기 위해 하늘만 바라보고 있을 수만은 없다. 현재 전세계 과학자들은 쿼크와 힉스를 발견할 때 그랬던 것처럼, ‘안 보이면 직접 만들어서 보겠다’는 포부로 입자를 제조하기 위해 열을 올리고 있다.

암흑물질 공장에 도전하는 LHC

역사상 가장 거대한 실험장치인 LHC는 원래14TeV의 에너지로 양성자를 충돌시킬 수 있게 설계됐다. 하지만 초전도자석을 연결하는 부위가 과열되는 문제로 2012년까지 부득이하게 8TeV로 실험을 진행할 수밖에 없었다. 그럼에도 불구하고 힉스 입자의 존재를 밝혀낸LHC는 2013년부터 설비 개선에 돌입해 지난 해 6월 13TeV의 높은 에너지로 재가동을 시작했다. 물리학자들은 더 높은 에너지로 가동되는 LHC에서 암흑물질이 생성되기를 기대하고 있다. 만약 암흑물질이 생성된다면 LHC는 두 개의 입자 검출기로 그 흔적을 찾아낼 수 있을 것이다.

그런데 LHC에서 암흑물질의 흔적을 찾는 방법은 우주에서 오는 암흑물질을 검출하는 방법과 사뭇 다르다. 쉽게 말하면 백사장에서 바늘을 찾을 때 백사장의 모래를 모두 빼내는 방식과, 자석을 갖고 백사장을 돌아다니는 것에 비유할 수 있다. 여기서 LHC는 백사장의 모래를 모두 빼내는 방식이다.

서로 반대편에서 날아와 13TeV의 에너지로 충돌한 두 양성자는 아인슈타인의 질량-에너지 등가 원리에 의해 힉스를 비롯한 수많은 입자를 만든다. LHC가 가진 두 개의 검출기는 이들을 하나도 빠짐없이 모두 찾아낼 수 있다.

이들이 가진 에너지의 합을 계산한 결과는 두 양성자가 충돌한 에너지와 같아야 한다. 그런데 만약 반복되는 충돌에서 계속 일정한 에너지 손실이 나타난다면? 이는 검출기가 포착할 수 없는 입자가 생성됐기 때문이라고 볼 수 있다. 다시 말하면, 암흑물질일 수 있는 것이다.

LHC의 검출기 중 하나인 시엠에스(CMS)연구에 참여하고 있는 한국 연구팀 대표인 최수용 고려대 물리학과 교수는 “암흑물질의 질량이 수 TeV 정도라면 발견할 수도 있을 것”이라며 “지난해 6월부터 10월 말까지 실험한 데이터에서 현재 그 흔적을 찾는 중”이라고 말했다. LHC 실험은 2037년까지 진행될 예정이다.
 
이미지 확대하기LHC의 시엠에스(CMS) 검출기. 13TeV의 에너지가 암흑물질을 만들면 CMS가 증거를 포착한다.LHC의 시엠에스(CMS) 검출기. 13TeV의 에너지가 암흑물질을 만들면 CMS가 증거를 포착한다.


새로운 가속기와 새로운 물리학

유럽에 LHC가 있다면, 아시아에는 켁비(KEKB)가 있다. KEKB는 일본고에너지가속기연구기구(KEK)가 운영하는 가속기로, 1999년부터 2010년까지 벨(Belle) 실험이라고 부르는 국제공동 연구를 진행했다. 벨은 입자 검출기의 이름이다.

KEKB는 전자와 그 반입자인 양전자를 거의 빛의 속도에 가깝게 가속시킨 뒤 B중간자(B Meson)라고 부르는 입자들을 만들어 CP대칭성 깨짐 현상을 연구했다. B중간자는 바닥쿼크의 반입자인 바닥반쿼크가 위쿼크 또는 아래쿼크, 기묘쿼크, 맵시쿼크와 결합해서 이루는 입자다.

LHC만큼 대중적으로 널리 알려지지는 않았지만, KEKB로 11년 동안 얻은 데이터는 CP대칭성 깨짐 현상을 연구하는 데 큰 도움을 줬다. 그 결과 고바야시 마코토와 마스카와 도시히데 교수가 1973년에 이론적으로 설명한 CP대칭성 깨짐 원리를 검증할 수 있었고, 두 교수는 2008년 노벨물리학상을 탔다.

2010년 이후 운영이 중단된 KEKB는 2018년 재가동을 목표로 현재 가속기와 검출기 개선 작업을 하고 있다. 새로 시작될 벨II(BelleII) 실험에서는 본격적으로 표준모형을 넘어선 새로운 물리학의 실마리를 파고들 계획이다. 벨II 실험 계획 수립에 참여하고 있는 권영준 연세대 물리학과 교수는 “표준모형에는 6가지 쿼크와 렙톤들이 있는데, 어떤 이유로 이런 구조가 나타나는지에 대해서는 아무것도 모른다”며 “벨II 실험에서 이런 문제들을 살펴 볼 예정”이라고 말했다.

곳곳에서 새로운 가속기 건설도 추진되고 있다. 유럽에서는 현재 LHC를 운영하는 유럽입자물리연구소(CERN)를 중심으로 미래원형충돌기(Future Circular Collider·FCC)를 계획 중이며, 중국은 둘레가 무려 50km에 달하는 전자양전자충돌기(Chinese Electron Positron Collider·CEPC)를 만들겠다고 나섰다. 국제 공동으로 추진되는 국제선형충돌기(International Linear Collider·ILC)도 일본에 지어질 예정이다.

19세기 말과 20세기 초, 다양한 실험 결과들이 뉴턴과 맥스웰의 물리학을 넘어 일반상대성이론과 양자역학을 탄생시켰다. 그리고 100년이 지난 21세기 현재, 다시 새로운 물리학이 꿈틀거리고 있다.



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Intro. 인류 최고 이론을 향한 도전 표준모형
Part1.표준모형이 지배하는 일상
Part 2.커피잔 속에서 우주의 원리를 보다
Part 3.‘표준모형 너머’를 꿈꾸다
Part 4.그들은 더 완벽한 우주이론을 꿈꾼다
Part 5. 스티븐 와인버그 교수 인터뷰 “‘최종 이론’ 찾을 때까지 탐구 멈추지 않을 것”

글 : 최영준 기자
과학동아 2016년 01호


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