숙련된 낚시꾼은 물고기가 바늘에

스치기만 해도 종을 구별할 수 있다고 한다.

마치 본 것처럼. 하지만 낚시꾼이 느낄 수 있는 건

낚싯대에 전해지는 은근한 진동이나 찌의 움직임뿐이다.

이 정보만으로 보이지 않는 물속 낚시감을 알아챈다.

암흑물질도 마찬가지다.

과학자들은 빛으로 감지할 수 없는 암흑물질을

낚기 위해 우주에 가느다란 낚싯대를 드리웠다.

이제 입질을 기다릴 차례다.

걸려 올라오는 물고기는

어떤 녀석일까

우리 눈에 보이는 세상은 가시광선을 시각으로 감지해 물체를 인식한 결과다. 현대과학은 우주망원경, 전파망원경 등을 개발해 가시광선만 감지할 수 있는 인간의 흐린 눈을 보조해 줬다. 그 덕에 자외선, 적외선, 감마선 등 다양한 파장의 빛을 통해 우주를 볼 수 있게 됐다.

그런데 보이는 물질이 전부가 아니었다. 빛(전자기파)을 이용해 관측할 수 없는 물질이 그 자리에 있어야만 설명할 수 있는 현상들이 우주에서 속속 발견됐다. 볼 순 없지만, 이 물질은 다른 입자와 중력을 통해 상호작용하며 그 존재를 드러냈다. 이 물질에 ‘암흑물질’이라는 이름이 붙었다. 모습도, 정체도 암흑에 휩싸여 알 수 없다는 뜻이다.

과학자들은 전자, 힉스 보손, 중성미자 등 17개 입자를 ‘기본 입자’라고 정의한다. 기본 입자와 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력이 상호작용하며 우주를 만든다는 것이 기존 이론이었다. 이를 표준모형이라고 부른다. 표준모형과 중력은 우리가 알고 있는 세계를 이해하기 위해 과학이 내놓은 가장 최선의 설명방법이다. 그러나 암흑물질이 보이는 특성은 이 기본 입자 중 그 어떤 것에도 해당하지 않는다.

과학의 역사는 항상 이렇게 흘러왔다. 세상을 다 파악한 것 같았는데, 또 전혀 새로운 모습이 또 발견된다. 그러면 여기에 맞춰 이론을 조금씩 바꿔가면 된다. 천체의 움직임을 보고, 이것이 지구가 돌기 때문이라고 생각한 코페르니쿠스의 이론이 다양한 관측결과를 통해 정설로 받아들여진 것처럼. 그러니 우리에게 필요한 건 지금까지 본 적 없던, 새로운 물질의 정체에 대한 이론과 이를 받쳐 줄 증거다.

무엇을 낚을 것인가?

“우주 전체 질량-에너지 분포의 27%를 차지할 것. 수명이 우주의 나이보다 훨씬 긴 안정된 물질일 것. 전자기력과 상호작용이 전혀 없거나 지극히 약할 것. 마지막으로 질량을 가지면서도 속도가 광속보다 느린 ‘차가운 상태’일 것.”

박종철 충남대 물리학과 교수는 암흑물질의 조건을 위 네 가지로 요약했다. 관측결과를 종합해 계산하면 암흑물질은 우주 전체 질량-에너지 분포의 27%를 차지한다는 결과가 나온다. 과학자들은 이 27%가 오늘날 우주의 모습을 만들었다고 설명한다. 차가운 암흑물질, 일반 물질, 암흑에너지로 현재 우주의 진화과정을 가장 잘 설명했다고 꼽히는 우주론의 표준모형(ΛCDM·람다 차가운 암흑물질 모형)에 따르면 우주 초기에 암흑물질이 모인 곳에 중력장이 형성됐다. 이 중력장을 따라 성간물질들이 모이면서 별, 은하, 은하단, 그리고 우주 거대구조가 생겨났다.

그러니까 우주가 진화하기 위해선 우주가 탄생한 약 138억 년 전부터 암흑물질이 계속 우주에 존재해왔어야 한다. 암흑물질의 수명이 우주의 나이보다 짧았다면, 우주의 모습은 오늘날과 크게 달랐을 것이다.

우리 눈과 망원경은 전자기파가 물체에 부딪혀 반사되거나, 물체 안에서 굴절되는 것을 본다. 육안으로도, 망원경으로도 암흑물질을 볼 수 없다는 건 암흑물질이 전자기력과 상호작용하지 않는다는 뜻이다. 혹은 우리가 감지할 수 없을 정도로 아주 약하게 상호작용하거나.

암흑물질이 중력과 상호작용하는 현상은 이미 관측됐다. 중력은 힘 자체로는 기본 힘 네 가지 중 가장 약하다. 그러나 질량이 클수록 세지는 성질이 있다. 따라서 별 등 전체와 중력을 통해 상호작용하는 암흑물질은 질량을 가진다고 추론할 수 있다.

우주론의 표준모형은 ‘람다 차가운 암흑물질 모형’이라는 다른 이름을 갖고 있다. 온도는 입자의 운동 속도와 비례한다. 따라서 암흑물질이 ‘차가운 상태’여야 한다는 건 암흑물질의 속도가 적당히 느려야 한다는 뜻이다. 박 교수는 “암흑물질의 이동속도를 바꿔가며 우주가 형성되는 과정을 시뮬레이션한 결과, 암흑물질이 너무 빠르게 움직일 경우, 은하나 별 수준의 작은 물질이 생기지 않았다”고 했다.

은하와 별이 ‘작은 물질’이라고 놀라지 말자. 여기서 크기의 기준은 전 우주다. 그리고 빠르기의 기준은 빛의 속도다. 암흑물질이 너무 빠르게 움직일 때는 빛 속도의 90% 내외일 때다. 광속의 10% 내외를 ‘적당히 느리다’고 한다.

조건이 마련됐으니 이제 우주란 바다에서 암흑물질을 낚아 올리기만 하면 된다. 그런데 어떻게 낚을까. 이 조건들로만 암흑물질을 찾기란 ‘파란 물고기’라는 설명 하나만 가지고 바다에서 물고기 한 마리를 찾는 일만큼 어렵다. 하지만 인류는 항상 방법을 찾아낸다. 과학자들은 암흑물질일 것이라고 추정되는 대표적인 후보 물질을 몇 가지 추려뒀다. 물질의 특성에 맞춘 탐사 장비도 마련됐다. 이제, 암흑물질을 낚으러 가 보자.

후보 1. 겁쟁이 개복치, 윔프(WIMP)

윔프(WIMP·Weakly Interacting Massive Particle)는 지난 46년간 가장 유력한 암흑물질 후보로 꼽혀왔다. 우리말로 ‘약하게 상호작용하는 거대 입자’라고 번역할 수 있다. 머리글자를 따 만든 ‘WIMP’란 명칭은 영어로 겁쟁이란 뜻이다. 크기가 크면서도 주변과 잘 상호작용하지 않는 윔프의 특징과 아주 잘 어울린다. 물고기로 치면 덩치가 크면서도 스트레스에 민감한 개복치와 비슷하다.

‘크기가 크다’고 했지만, 이 크기는 양성자 하나에 비교해 이야기한 것이다. 이렇게 작은 규모에서는 g, kg 대신 eV(전자 볼트)란 단위를 사용한다. 1eV는 전자 하나가 1V의 전위를 거슬러 올라갈 때 드는 에너지다. 알베르트 아인슈타인의 질량-에너지 등가원리를 이용하면 질량을 에너지로 바꿀 수 있기 때문에 질량을 측정하는 단위로 사용하기도 한다. 윔프의 질량은 1GeV~10TeV(테라 전자 볼트·1TeV는 1조 eV) 정도 범위일 것으로 추정된다.

이현민 중앙대 물리학과 교수는 “우주가 플라스마 상태였을 때, 윔프는 빈번히 충돌하며 소멸과 생성이 같은 비율로 일어나는 열평형 상태에 있었다”고 설명했다. 이어 “그러나, 우주가 팽창하면서 윔프의 밀도가 줄어들며 더이상 생성되거나 소멸하지 않는 상태에 이르렀다”고 했다. 이를 열적인 동결 과정이라고 부른다. 생성되지도, 소멸하지도 않는 상태라는 것은 곧 이 시기부터 오늘날까지 윔프의 수는 일정하다는 뜻이다. 1977년 물리학자 이휘소와 스티븐 와인버그는 이를 통해 결정된 윔프의 양이 현재 암흑물질의 양으로 추정되는 값과 동일하다는 사실을 밝혔다. 이를 ‘윔프 기적’이라고 부른다.

개복치, 아니 윔프를 낚아 올릴 때 사용하는 미끼는 원자핵이다. 개복치는 스트레스를 받으면 무작정 헤엄치다가 물체와 부딪히는 습성이 있다. 개복치가 헤엄치다가 부표와 부딪히는 모습을 상상해 보자. 수면 위에서 우리는 개복치를 볼 수 없다. 하지만 부표가 갑자기 이상하게 움직이는 모습은 볼 수 있다. 윔프를 찾는 실험도 똑같다.

수백~수천 미터 지하에 윔프 검출기를 설치한다. 검출기 안에서 원자핵이 움직이면 바로 알아차릴 수 있다. 암흑물질은 중력이나 약한 핵력, 또는 우리가 아직 모르는 제5의 힘과 상호작용할 것이다. 만약 윔프가 검출기 안으로 들어가 원자핵과 충돌한다면, 원자핵은 개복치와 충돌한 부표처럼 튕겨 나갈 것이다. 우리는 원자핵이 움직이는 모습을 분석해 부딪힌 입자의 질량과 상호작용 세기 등을 계산할 수 있다.

지하에 검출기를 설치하면 방사선이나 우주 입자가 원자핵과 충돌할 확률이 줄어든다. 이렇게 해서 암흑물질의 신호만 잡아내겠다는 전략이다. 실제로 이탈리아 그랑사소산 지하 1400m에는 세계 최고 민감도의 제논(XENON)1 T실험이 진행 중이다. 우리나라 강원 양양에서도 기초과학연구원(IBS) 지하실험연구단이 지하 700m 깊이에서 암흑물질을 탐색하는 코사인(COSINE)-100실험을 진행 중이다.

후보 2. 꼬맹이 정어리, 액시온(Axion)

윔프를 찾는 실험이 오랜 기간 지속됐지만, 여전히 감감무소식이다. 과학자들은 또 하나의 암흑물질 후보를 떠올렸다. 액시온(Axion)이다. 액시온의 무게는 윔프보다 훨씬 가벼운 10-22eV에서 수 KeV(킬로 전자 볼트·1KeV는 1000 eV)정도다. 이렇게 가벼우면서 우주 전체 질량-에너지의 27%를 차지해야 하니 그 수가 많을 수밖에 없다. 과학자들은 액시온이 마치 정어리 떼처럼 여럿이 모여 다닐 것이라고 예상한다.

원래 액시온은 암흑물질을 위해 탄생한 개념이 아니라, ‘강한 상호작용의 CP문제’라는 입자물리학의 또 다른 미스터리를 해결하면서 고안됐다. 그런데 1979년, 김진의 현 경희대 물리학과 교수(당시 펜실베이니아대 물리학과 연구원)가 만약 액시온이 우주 초기부터 존재했다면 액시온은 질량이 아주 작고 암흑물질에 적당할 것이라는 이론을 제기했다.

4년이 지난 1983년, 액시온이 오늘날 우주의 형태를 만들어준 암흑물질의 후보로 적합하다는 논문이 우르르 쏟아져 나오며 액시온을 암흑물질의 후보로 보는 연구가 급부상하기 시작했다.

앞서 개복치가 부표에 부딪히면 부표가 움직이는 것처럼, 윔프가 원자핵과 부딪힐 때 원자핵이 움직이는 것을 관측한다고 설명했다. 하지만 액시온은 정어리다. 정어리 한 마리가 부표에 아무리 부딪혀 봐야 부표는 꿈쩍도 안 한다. 과학자들은 이를 고려해 윔프와는 다른 실험 장치로 액시온을 낚고 있다.

액시온의 성질 중 하나는 강한 자기장을 가하면 광자 두 개로 쪼개진다는 점이다. 정우현 IBS 액시온및극한상호작용연구단 연구위원은 “공진기 안에 액시온을 가둔 뒤, 자기장을 가해 주면 액시온이 광자로 쪼개진다”고 설명했다. 이 광자가 가진 고유 진동수가 공진기의 진동수와 같아진다면 공명이 일어나 신호가 크게 나타난다.

그런데 우리는 액시온이 쪼개져 생긴 광자의 고유 진동수를 모른다. 따라서 광자의 고유 진동수와 맞을 때까지 공진기의 진동수를 계속 바꿔가며 광자를 찾아야 한다. 정 연구위원은 “라디오 주파수를 맞춰가며 단 한 개뿐인 채널을 찾는 과정과 같다”고 설명했다. 우리나라 IBS 액시온및극한상호작용연구단, 미국 예일대의 헤이스택(HAYSTAC) 등이 이 방법을 이용해 액시온을 찾고 있다.

후보 3. 변덕쟁이 명태, 비활성 중성미자(Sterile Neutrino)

갓 잡혔을 때는 생태, 얼리면 동태, 반만 말리면 코다리, 바짝 말리면 북어. 겨울에 열렸다 녹였다 반복하면 황태고, 어릴 때는 노가리다. 이 이름 모두 명태를 말한다. 이름이 다채로운 게 어디 명태 탓이겠냐마는 참 변덕스러운 이름이다. 이런 명태와 닮은 암흑물질 후보가 있다. 바로 비활성 중성미자다.

중성미자는 표준모형의 17종류 입자 중 3종류를 차지한다. 각각 전자 중성미자, 뮤온 중성미자, 타우 중성미자라고 불리는데 이미 존재가 증명됐다. 이런 중성미자가 암흑물질의 후보로 거론된 건 윔프만큼이나 오래된 일이다. 이현수 IBS 지하실험연구단 부단장은 “이휘소 박사가 처음 윔프를 제시할 때는 질량이 큰 중성미자일 것이라고 추정했다”고 했다. 중성미자는 전하를 띠지 않고, 다른 물질과 약한 상호작용만 해 암흑물질의 일부 조건에 부합했기 때문이었다. 그런데 중성미자는 우주 질량의 극히 일부분만 차지해 암흑물질이라고 하기엔 양이 부족했다.

그러던 중, 표준모형에 없는 제4의 중성미자가 존재한다는 예측이 나왔다. 중성미자는 전자에서 뮤온, 뮤온에서 타우, 타우에서 전자로 서로 바뀌는 성질이 있다. 이 현상을 ‘진동 변환’이라고 부른다. 그런데 세 종류의 중성미자가 서로 진동변환하는 것만으로는 이해하기 어려운 현상들이 관측됐다. 이를 설명하기 위해 과학자들은 ‘비활성 중성미자’를 새롭게 고안했다. 비활성 중성미자는 기존 중성미자보다 무겁다. 그 덕에 기존 중성미자로는 채울 수 없던 암흑물질의 질량을 만족시킨다. 물론 무겁다고 해도 수 KeV 수준이다.

북엇국 속 북어가 식탁에 오르는 과정을 떠올려 보자. 잡혔을 땐 생태였고, 서서히 말리다가 반쯤 말랐을 땐 코다리였고, 쭉 말리다 보니 북어가 됐다. 우리가 명태를 밥상에서 봤으니 북어로 만난 것이다. 만약 건조장에서 마르고 있는 녀석을 현장 포착했다면 코다리로 만났을 것이다. 비활성 중성미자를 찾는 과정도 똑같다. 원자력발전 과정에서 중성미자가 나온다. 이 중성미자는 사방으로 퍼져 먼 거리를 이동하기 시작한다. 그 이동 거리에 따라 타우, 전자, 뮤온, 그리고 비활성 중성미자로 진동 변환한다.

이 부단장은 “비활성 중성미자의 경우 질량이 커서 이동한 지 얼마 지나지 않은 짧은 거리에서 변환한다”며 “비활성 중성미자를 잡기 위해서는 중성미자가 나오는 곳과 수십m 떨어진 거리에 중성미자 검출기를 배치해야 한다”고 했다. 비활성 중성미자가 검출기의 양성자와 반응하면 양전자와 중성자가 만들어진다. 이 양전자가 방출하는 빛을 검출하는 원리다. 국내에서는 IBS 지하실험연구단이 전남 영광 한빛 원자력발전소의 원자로 인근에 단거리 중성미자 진동 실험장치(NEOS)를 설치하고 연구를 진행해 2018년 첫 분석 결과를 발표했다. 러시아, 일본 등에서도 비슷한 방식의 실험이 현재 진행 중이다.

암흑물질 낚기 위한 전 세계 과학자들의 총력전

최근에는 원시 블랙홀도 암흑물질의 후보로 꼽히고 있다. 이현민 교수는 “원시 블랙홀은 초기우주에 에너지 밀도가 높은 영역에서 형성된 뒤 현재까지 남아 있는 블랙홀”이라고 설명했다. 이어 “중력렌즈 효과가 일어난 곳을 살펴보거나, 감마선 폭발 등을 이용해 관측하는 방식이 제시되고 있다”고 했다. 갑자기 입자에서 태양보다 수백 배 이상 무거운 천체로 규모가 훌쩍 뛰었다. 개복치, 정어리, 명태에 이어 고래를 낚을 준비를 해야 한다. 이 외에도 기상천외한 암흑물질 후보는 더 있다. 암흑물질이 한 종류가 아닌 여러 가지 입자 그룹으로 구성될 수도 있다. 누가 알까. 언젠가는 심해어를 낚아야 할지도 모른다.

낚시할 때는 물고기 떼가 있는 곳을 찾아다니며 자리를 옮겨야 한다. 여기서 낚다가 안 잡히면 저기 암초 근처로 가 본다. 이렇게 물고기가 안 잡히는 구역을 하나씩 지워나가면 언젠가는 물고기 떼가 있는 곳을 찾는다. 암흑물질을 찾을 때도 마찬가지다. 전자보다 가벼운 입자부터 태양보다 수백 배 무거운 천체까지, 질량과 상호작용 크기를 기준으로 암흑물질의 후보를 평면 위에 죽 늘어놓을 수 있다. 과학자들은 현재 이 영역 안에서 전 지구적 땅따먹기를 하고 있다. 액시온 검출기, 공진기, 중성미자 검출기 모두 암흑물질이 없는 영역을 하나씩 지워나가며 암흑물질을 탐색한다.

한편 유럽입자물리연구소(CERN)은 인류 역사상 가장 거대한 실험장치, 대형강입자충돌기(LHC·Large Hadron Collider)를 가동해 암흑물질을 직접 만들어내겠다고 나섰다. 남극에선 각국의 과학자들이 모여 빙하를 이용해 암흑물질의 흔적을 잡는 아이스큐브(IceCube) 프로젝트를 진행 중이다. 지난해 12월 발사한 제임스웹 우주망원경은 인류가 만든 가장 밝은 눈으로 암흑물질의 흔적을 찾는다.

암흑물질이란 개념이 생긴 지 90여 년이 흘렀다. 그야말로 지구 안에서 그리고 지구 밖 우주에서 암흑물질을 찾기 위한 과학자들의 총력전이 벌어지고 있다. 인류는 오랜 기다림 끝에 암흑물질이란 대어를 낚을 수 있을까.