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한국 등 국제 공동연구팀은 코사인-100(COSINE-100) 실험으로 ‘다마(DAMA) 미스터리’를 검증하기 위해 DAMA 실험과 동일한 고순도 요오드화나트륨 결정 검출기를 제작했다. 암흑물질 후보인 WIMP가 결정 속 나트륨이나 요오드 원자핵과 충돌할 때 발생하는 아주 작은 빛 신호를 감지하도록 설계됐다.

기초과학연구원(IBS) 지하실험 연구단이 국제 공동연구팀을 이끌며 수행한 ‘코사인-100 (COSINE-100)’ 실험이 25년 넘게 이어진 ‘다마(DAMA) 미스터리’의 종지부를 찍었다. 1998년, 이탈리아 그랑사소 입자물리연구소에 본거지를 둔 DAMA 국제 공동연구팀이 ‘인류 최초로 암흑물질의 흔적을 발견했다’며 발표했던 신호가 암흑물질 증거가 아님을 검증해 낸 것이다. 연구는 9월 4일 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’를 통해 발표됐다. doi: 10.1126/sciadv.adv6503

DAMA 연구팀은 1995년부터 암흑물질을 탐색했고 1998년, 계절에 따라 변하는 신호(연간 변조 신호)가 윔프(WIMP) 입자의 흔적이라 주장했다. WIMP는 약하게 상호작용하는 무거운 입자로, 암흑물질의 유력한 후보 중 하나다. DAMA 연구팀은 지구가 태양을 공전하기 때문에, 계절에 따라 검출기에서 포착하는 암흑물질 충돌 신호의 빈도가 달라질 거라고 예측했다. 따라서 자신들이 포착한 연간 변조 신호가 암흑물질의 증거라고 본 것이다. 하지만 이후 어느 연구팀도 DAMA 연구팀이 측정한 것과 같은 연간 변조 신호를 다시 발견하지는 못해 논란이 됐다.

코사인-100 실험은 2016년부터 본격적으로 시작됐다. 강원 양양 지하 700m 연구실에서 DAMA 연구팀의 실험 조건과 동일한 고순도 요오드화나트륨(Nal(TI)) 결정을 이용한 검출기를 사용해 2023년까지 6년 넘게 수집한 데이터를 정밀하게 분석했다. WIMP는 매우 드물게 주변 물체의 원자핵과 충돌하는데 이때 생기는 미약한 빛을 전기적 신호로 변환하고 이 신호를 초정밀 검출기로 포착할 수 있다.

DAMA 연구팀이 주장한 암흑물질의 신호는 끝내 나타나지 않았다. 코사인-100 실험은 실험 결과의 신뢰도가 99.73% 수준으로 DAMA의 주장을 반박하는 결정적인 증거가 된다. 특히 DAMA 연구팀이 WIMP 흔적을 발견했다고 주장한 1~3keV(킬로전자볼트) 저에너지 영역에서는 신뢰도가 99.964% 수준이었다. 코사인-100 실험 결과는 스페인에서 진행된 아나이스-112 실험 결과와도 교차검증해 신뢰도 99.99972%로 DAMA가 당시 포착한 것이 암흑물질이 아니라는 결론을 내렸다.

김영덕 지하실험 연구단 단장은 보도자료를 통해 “이번 연구는 국제 협력을 통해 오랜 과학적 논쟁을 종결지은 의미있는 성과이자, 한국이 세계 암흑물질 연구를 이끄는 핵심 주체로 자리매김했음을 보여주는 결과”라 설명했다.