호주 폐광에 건설된 암흑 물질 검출 장치 - Stawell Underground Physics Laboratory (SUPL)

 

(A new dark matter detector built in an old Australian gold mine could help unravel the secrets of the universeStawell Underground Physics Laboratory)

(A model of the Stawell Underground Physics Laboratory – the dark matter detector would be located at the junction of the two wingsStawell Underground Physics Laboratory)

 우리 우주의 물질 가운데 80%는 아직도 그 정체를 알 수 없는 암흑 물질로 되어 있습니다. 그리고 에너지까지 합쳐서 생각하면 우주의 대부분이 암흑 물질과 암흑 에너지이며 우리가 아는 물질의 양은 얼마 되지 않습니다. 과학기술이 지금처럼 발전한 시기에도 우리는 우주의 대부분을 차지하는 물질과 에너지의 정체를 몰라 암흑 (dark)이라는 명칭을 사용하고 있는 것입니다. 

 당연히 과학자들은 유령 같은 암흑 물질의 존재를 검증하기 위해 많은 실험을 진행하고 있습니다. 그중 하나가 최근 호주에서 가동에 들어간 스타웰 언더그라운드 물리학 실험실 Stawell Underground Physics Laboratory (SUPL)입니다. SUPL은 지하 1km 깊이의 폐금광 속에 위치합니다. 이렇게 깊은 지하에 건설되는 것은 암흑 물질 검출기들의 공통된 특징 중에 하나로 우주에서 날아오는 다른 우주선이나 입자와의 간섭을 막기 위한 것입니다. 

 암흑 물질은 우주 어딘가 저 멀리 있는 것이 아니라 우리 주변에 존재하고 있습니다. 단지 주변 물질과 거의 반응을 하지 않기 때문에 우리가 그 존재를 인지하지 못할 뿐입니다. 대신 그 중력은 우리 은하나 은하단이 흩어지지 않고 형태를 유지하는 핵심적인 힘입니다. 

 이렇게 유령 같이 존재하는 암흑물질이라도 물질과 아주 드물게 반응을 해 에너지를 내놓을 것으로 예상되고 있습니다. 따라서 이런 후보 물질을 검출하기 위해 SUPL는 순수한 50kg의 요오드화 나트륨 (sodium iodide)을 검출 물질로 활용합니다. 이 요오드화 나트륨은 위양성을 막기 위해 액체 신틸레이터 (liquid scintillator, 톨루엔, 벤젠, 크실렌 등의 용매 중에 테르페닐 등의 발광 물질을 녹인 것) 내부에 들어 있습니다. 그리고 각각 100톤 무게의 철과 폴리머로 차폐되어 있습니다. 

 

 만약 신호가 요오드화 나트륨 결정에서만 감지된다면 과학자들이 찾고 있는 암흑 물질 후보일 가능성이 높습니다. 반대로 액체 신틸레이터에서도 감지되면 뉴트리노처럼 드물게 다른 물질과 반응하는 알고 있는 입자일 가능성이 있습니다. 

 만약 SUPL가 실제로 암흑 물질의 증거로 보이는 신호를 찾아낸다면 중력파의 검출을 뛰어넘는 과학계의 쾌거로 기록될 것입니다. 그리고 더 나아가 SUPL가 새로운 사실을 추가로 밝혀낼 것이라는 희망도 있습니다. 바로 암흑물질이 바람처럼 움직인다는 것입니다. 이 경우 검출되는 암흑물질의 양이 시간에 따라 다를 수 있습니다. 

 SUPL가 성과를 거둘 수 있을지 아니면 앞서 다른 프로젝트들 처럼 결국 성과 없이 끝나게 될지는 모르지만, 설령 여기서 실패하더라도 결국 다른 방법을 통해서 과학자들은 언젠가는 암흑물질의 존재를 확인하게 될 것으로 믿습니다. 

 참고 

https://newatlas.com/physics/stawell-underground-physics-laboratory-dark-matter-detector/

https://www.ansto.gov.au/news/new-underground-lab-to-shed-light-on-dark-matter