By CHARLIE WOOD, WIRED US

천문학자들이 1980년대에 우주에서 보이지 않는 물질에 대해 합의를 했을 때, 실험 전문가들은 빛을 방출하지 않는 입자를 찾아 나섰다. 바로 여러 은하를 연결하고, 중력으로 우주를 생성한 암흑 물질이 그 정체이다.

처음에는 윔프(WIMP)라는 이름으로 알려진 약하게 상호작용하는 무거운 입자인 무겁고 에너지가 부족한 물질을 찾아 나섰다. 윔프가 초기에 사라진 물질이 초기 암흑 물질 탐구에서 가장 선호하는 물질이었다. 입자물리학에서 또 다른 관련성이 없는 의문점을 해결할 수 있기 때문이다. 수십 년간 여러 물리학자 연구팀은 이보다 더 큰 목표를 세웠다. 윔프가 우연히 충돌했을 때, 순식간에 움직이는 드문 원소를 포착하기를 바라며, 거대한 결정의 형태와 수천 톤이라는 무게에 달하는 이질적인 액체를 찾는 것으로 목표를 바꾸었다.

그러나 이러한 탐지 활동을 펼치던 과학자들도 새로운 사실을 발표하지 않았으며, 물리학자들은 갈수록 더 넓은 범위에서 가능성을 고려하고 있다. 한 가지 유력한 가설로 물리학자들은 암흑 물질이 별처럼 무거운 질량을 지닌 블랙홀을 형성했을 가능성이 있다고 주장한다. 또 다른 반대의 가능성으로 암흑 물질이 전자보다 수치를 가늠할 수 없을 정도로 천문학적으로 빠른 속도로 입자 연무 형태로 확산됐을 가능성도 제기된다.

각종 새로운 가설이 암흑 물질을 감지할 수 있는 새로운 방법을 제시한다. 캘리포니아공과대학교 이론 물리학자인 캐트린 주렉(Kathryn Zurek) 박사는 현재의 윔프 실험으로 아무것도 발견할 수 없다면, 암흑 물질 발견 분야에서 중요한 부분이 새로운 유형의 실험으로 바뀔 것이라고 밝혔다.

이미 암흑 물질 실험에서 변화가 발생하기 시작했다. 암흑 물질을 찾기 위한 새로운 유력한 실험을 아래와 같이 설명한다.
 
전자와 양자 사이
윔프는 간혹 원자 전체를 무너뜨릴 정도로 무거운 무게를 지니고 있다. 그러나 암흑 물질이 가벼운 경우를 대비해 일부 물리학자들은 더 작은 암흑 물질을 찾을 방법을 설치하고 있다.

양자보다 가벼운 비의 형태인 암흑 물질 입자는 간혹 전자가 원자에서 분리되도록 충격을 가한다. 이러한 암흑 물질을 찾기 위해 특수 설계된 첫 번째 실험은 센세이(Sensei)라는 실험이다. 디지털카메라와 비슷한 실험으로 물질에서 예상치 못하게 해방된 전자의 신호를 풍부하게 만드는 방식으로 실험이 진행된다.

센세이 시제품이 실리콘 무게의 1/10 정도만 두고 실행된다면, 암흑 물질을 찾을 수 없다. 그런데도 연구팀은 2018년에 게재한 논문을 통해 순식간에 특정 모델을 배제했다.

오리건대학교 물리학자 겸 센세이 실험 참가자인 유티엔티엔(Tien-Tien Yu) 박사는 “센세이를 실행하고, 세계에서 가장 중대한 제한을 두었다. 이전에는 제한이 없었기 때문이다”라고 말했다.

최근, 실리콘 2g을 두고 실시한 실험에서 제한 범위를 확장했으며, 현재 유 박사 연구팀은 캐나다 지하 연구실에서 우주선의 방해가 없는 환경에서 실리콘 10g을 두고 연구를 준비 중이다. 다른 연구팀도 비교적 적은 노력으로 성과를 거둘 수 있는 센세이 실험을 겨냥해, 대체 가능한 저예산 실험을 준비 중이다.

더 가벼운 물질 실험
암흑 물질이 여전히 더 가볍거나 전하가 없다면, 전자를 방출하지 못할 것이다. 주렉 박사는 사소한 요소라도 입자의 행동에 영향을 주어 그 존재를 드러낼 방법을 두고 집단 논의를 해왔다.

예를 들어, 실리콘 블록이 원자핵을 나타내는 스프링이 달린 매트리스라고 상상해보자. 주렉 박사는 매트리스의 1/4만 튀어 오르고 크게 움직이는 스프링이 단 하나도 없다면, 동전이 통과하는 수많은 스프링에 파동을 일으킬 것이다. 주렉 박사는 2017년, 암흑 물질 상호작용의 아날로그 개입이 시스템의 기온을 약간 높일 수 있는 훌륭한 파동이라고 제안했다.

이러한 과정을 거친 실험 중 하나인 테서랙트(Tesseract)는 현재 캘리포니아대학교 버클리캠퍼스의 지하에서 진행되고 있다. 연구팀은 실험 과정에서 센세이에서 목표로 하는 것과 무게가 비슷한 암흑 입자의 파동을 관찰한다. 그러나 향후의 민감한 업그레이드 사항에서 이론적으로 1,000배 더 가벼운 입자를 발견할 수 있다.

그러나 이보다 극도로 작은 입자가 존재할 수도 있다. 파동이 매우 작은 액시온은 암흑 물질로 구성돼, 강력한 핵력의 미스터리를 해결할 수 있다. 최근의 암흑물질 실험(ADMX)에서는 자기장에서 광자로 서서히 손상되는 액시온을 스캔하기 시작했으며, 이와 비슷한 탐색 활동도 시작되고 있다.

일부 실험에서는 더 가벼운 물질을 목표로 한다. 가장 가벼운 암흑 물질은 전자의 질량보다 수치를 가늠하기 어려운 천문학적인 수준으로 가볍다. 그 결과, 매우 낮은 에너지파와 작은 은하와 같은 수준의 파장과 같은 입자를 발생시킨다. 더 가벼운 (이 때문에 더 긴) 입자는 은하계가 서로 붙어있는 이유를 설명할 수 있도록 널리 확산될 것이다.

높은 우주에서 드러나는 단서
실험 전문가들이 차세대 장비를 준비해 직접 암흑 물질과 접촉을 할 방안을 모색하는 반면, 다른 이들은 간접적인 징조를 찾기 위해 천체를 샅샅이 살펴볼 것이다.

암흑 물질의 거대 구름이 중력으로 눈에 보이는 물질로 끌어들이면서 은하계와 별을 생성하는 것으로 추정된다. 그러나 존재할 수 있는 것으로 보이는 작은 암흑 물질 덩어리는 이처럼 중력으로 물질을 끌어들이지 않는다. 이러한 덩어리는 완전히 어둡지만, 여전히 중력으로 별빛을 지나쳐 구부려야 한다. 어느 한 연구팀이 현재 진행되고 있는 가이아(GAIA) 조사 데이터의 암흑 물질 덩어리로 별빛의 렌즈를 찾고 있다.

오리건대학교 물리학자이자 연구팀 일원인 애나 마리아 타키(Anna-Maria Taki) 박사는 “암흑 구조는 우리 은하를 통해 이동하고 있다. 암흑 구조가 이동하면서 위치와 적절한 움직임, 광원을 왜곡한다”라고 말했다.

9월에 발표된 논문에 공개된 초기 결과는 1억에 달하는 태양보다 무거운 구조는 발견되지 않았다. 연구진은 향후 더 광범위한 데이터로 기다란 암흑 구름의 윤곽을 발견할 수 있기를 바란다. 과학자들은 가상의 암흑 구조의 모양부터 크기까지 암흑 물질 입자가 자신들과 상호작용을 하는지, 또 어떤 방식으로 상호작용을 하는지 유추할 수 있다. 

다른 전문가들은 급격히 발전하는 외계 행성을 최대한 활용할 방법을 만들어냈다. 미국 스탠퍼드대 SLAC 국립가속기 연구소(SLAC National Accelerator Laboratory) 소속 입자 물리학자이자 9월에 발표된 논문의 공동 저자인 레베카 레인(Rebecca Leane) 박사는 “외계 행성으로 암흑 물질을 감지할 수 있는 수십억 가지의 방법을 두고 있다”라고 밝혔다.

암흑 물질이 우리은하를 통해 널리 흩어지기 때문에 행성이 핵에 암흑 물질을 모을 수 있다는 생각이다. 암흑 물질 입자가 반입자와 함께 에너지로 변환되면서 행성의 기온을 높일 수 있다. 은하 중심과 가까운 곳에 있는 외계 행성은 밀도가 큰 암흑 물질의 중앙을 통과해, 적외선으로 더 뜨겁게 빛을 낸다. 만약 곧 활용될 제임스웹 우주 망원경이 외계 행성 수천 곳의 기온을 측정할 수 있다면, 레인 박사 연구팀은 데이터 세트가 전자와 양성자의 질량비 범위 내에서 암흑 입자를 에너지로 변환하는 지문을 지닐 수 있을 것이다.

어디에나 존재하는 암흑 물질
윔프가 줄어들 수는 있지만 사라지는 것은 아니다. 3월, 이탈리아 그란사소 국립 연구소에서 약 4t 탱크의 제논이 2년간 운영될 것이다. 그리고, 한국의 코사인-100 공동연구협력단은 그란사소 국립 연구소의 실험 DAMA에서 논란이 되는 주장을 확인할 방법을 찾을 것이다. 실험 과정에서 요오드화나트륨 결정은 지구가 암흑 물질 바람을 통과하면서 나타나는 모습으로 예측할 수 있는 것과 같은 계절적 변화의 유형을 정확히 기록했다. 텍사스대학교 오스틴 캠퍼스 천체물리학자인 캐더린 프리스 박사(Katherine Freese)는 “암흑 물질의 바람은 매년 변하고 있으며, 여기에 다른 조건은 없다. 그러나 암흑 물질의 바람은 무엇인가? 이를 정확히 찾아낼 수 없다”라고 말했다.

윔프 실험의 시작에 도움을 준 계산을 한 프리스 박사는 입자도 추적할 수 있는 새로운 방법을 생각하고 있다. 2018년, 그는 윔프가 지하에 매장된 암석 아래에 숨어있을 것이라고 주장했다. 또, 최근에는 지하에 매장된 암석을 파내는 과정을 신청하는 데 서명했다.

많은 물리학자들이 암흑 물질은 독립적인 물질이기 때문에 어디에나 있을 것이라고 기대한다. 만약 다양한 탐지기 감지나 별빛 근처 접근, 행성의 핵 온도 상승, 암석 내 매장을 확인하는 등 눈에 보이지 않는 암흑 물질을 감지할 수 있는 충분한 방법을 만들어낸다면, 암흑 물질이 미친 보이지 않는 영향도 어디에서나 드러날 것이다. 

레인 박사는 “무엇이든 암흑 물질을 감지할 수 있다. 암흑 물질 탐지를 위해 사용 방법을 생각할 수 있을 정도로 창의적이어야 한다”라고 말했다.

** 위 기사는 와이어드US(WIRED.com)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)

<기사원문>
The Search for Dark Matter Is Dramatically Expanding