(A cutaway rendering of the LUX-ZEPLIN (LZ) detector that will be installed nearly a mile deep near Lead, S.D. The central chamber will be filled with 10 metric tons of purified liquid xenon that produces flashes of light and electrical pulses in particle interactions. An array of detectors, known as photomultiplier tubes, at the top and bottom of the liquid xenon tank are designed to pick up these particle signals. Credit: Lawrence Berkeley National Laboratory)
과학자들은 우주에 있는 물질 가운데 적어도 80% 이상이 별과 은하 가스 같은 일반적인 형태의 물질이 아니라 그 존재를 알 수 없는 암흑물질이라는 사실을 알고 있습니다. 하지만 이름처럼 암흑물질이 무엇인지에 대해서는 알지 못하고 있습니다.
여러 후보 물질 가운데 하나가 윔프(WIMP, weakly interacting massive particles)로 이름처럼 무겁지만 다른 물질과는 거의 상호 작용이 없으며 오로지 중력으로만 그 존재를 알 수 있는 신비의 물질입니다. 물론 이것이 이론적 혹은 상상의 존재에 지나지 않을 가능성도 있습니다.
현재까지 윔프를 검출하기 위한 실험은 모두 실패했지만, 과학자들은 포기하지 않고 다시 대규모의 도전을 준비하고 있습니다. 미국의 로렌스 버클리 국립 연구소가 미국 에너지부의 지원을 받아 건설 중인 LUX-ZEPLIN (LZ)이 그것으로 30여개의 기관과 200여명의 과학자들이 이 작업에 참여하고 있습니다.
LZ의 핵심은 순수하게 정제된 10톤의 제논(Xenon)가스입니다. 희귀한 물질인 제논을 정제하고 이를 극도로 정밀한 검출기 안에 담는 일은 막대한 비용을 필요로 했습니다.
(전 세대 제논 윔프 검출기인 LUX, A view of LUX, a predecessor dark matter experiment to LZ, during installation in 2012. LUX will be disassembled to prepare for the installation of LZ. Credit: Lawrence Berkeley National Laboratory)
LZ 내부엔 500개의 검출기가 제논과 극히 드문 확률로 반응하는 윔프의 존재를 찾아내기 위해서 존재하고 있습니다. 이 결과는 미국은 물론 영국, 러시아, 포르투칼, 그리고 한국의 연구팀이 분석하게 될 것입니다.
결과를 장담하기는 어렵지만, 만약 검출에 성공한다면 물리학 역사에 한 획을 긋는 연구 성과로 노벨상급 연구 결과라고 해도 과언이 아닐 것입니다. 가까운 미래에 좋은 소식이 들리기를 기대해 보겠습니다.
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