암흑물질이란?
우주에 존재하는 보통 물질과는 다르게 암흑물질은 빛을 내지 않아서 우리 눈에는 보이지 않지만 질량을 가지고 우주 전체에 분포하여 중력 현상에 영향을 끼치게 된다. 이러한 암흑물질의 존재는 1930년대에 은하의 궤도 속도를 관찰하는 중에 처음으로 논의되었다. 은하의 궤도 속도 측정 결과는 은하의 움직임으로부터 얻은 질량이 관측된 은하들의 질량을 합친 것보다 훨씬 크다는 것을 보여주었고, 이는 질량의 차이를 설명하기 위해서는 눈에 보이지 않지만 질량을 가지고 있는 물질인 암흑물질이 있어야 한다는 증거가 되었다. 최근에는 정밀하게 측정된 우주배경복사를 통해 우리는 우주가 4.9%의 물질과 26.8%의 암흑물질 그리고 68.3%의 암흑에너지로 이루어져 있다는 것을 알게 되었다(그림 1). 이와 같이 암흑물질의 존재는 여러 관측 결과를 통해 잘 알려져 있다. 그러나 암흑물질이 무엇인지 그 성질에 대해서는 아직 거의 알려진 것이 없다.
어떻게 검출할 것인가?
다양한 암흑물질 후보들 가운데 WIMP(Weakly Interacting Massive Particle)는 여러 관측 결과를 잘 설명하며 이론적으로도 잘 예측이 되는 입자이기 때문에 유력한 후보로 알려져 있다. 앞서 소개한 대로 암흑물질은 빛을 내지 않아서 눈에 보이지는 않지만 보통의 물질과 드물게 나마 반응할 때 나오는 에너지를 이용하면 검출할 수 있다.전세계적으로 WIMP를 찾는 실험들이 많이 진행되고 있는데, 그 중에 DAMA/LIBRA 실험은 NaI(Tl) 검출기를 이용하여 지난 20여년간 탐색을 진행하면서 9.3 신뢰도로 WIMP의 신호를 확인하였다고 발표하였다. 지구가 태양 주위를 공전하면서 WIMP를 부딪히고 지나가기 때문에 1년 주기로 검출률이 달라지게 되는데, DAMA/LIBRA는 이러한 WIMP 검출률의 연간변조효과를 발견하였다는 결과를 제시하였다. 그러나 DAMA/LIBRA와는 다른 종류의 검출기를 이용하여 WIMP와 핵 사이의 반응 신호에 따라 WIMP신호를 구분하는 방법으로 분석하는 실험 그룹들에서는 WIMP의 신호가 검출되지 않고 있다.
KIMS 실험
한국에서는 KIMS(Korea Invisible Mass Search) 실험이 1999년부터 WIMP탐색을 시작하였다. KIMS는 WIMP와 보통 물질의 상호작용으로 인해 나오는 신호를 잘 구분하기 위해 배경 방사능이 낮은 지하실험실을 양양 양수발전소 지하 700깊이에 설치하고 CsI(Tl) 검출기를 이용하여 WIMP탐색을 진행해 왔다(그림 2). CsI(Tl) 검출기를 이용한 KIMS의 탐색 결과 역시 DAMA/LIBRA의 결과와 상반된 결과를 얻었다.
COSINE 실험
이러한 상반된 결과는 분석방법에서 생길 수 있는 이론적인 모델의 차이나 검출기의 차이에서 오는 영향을 받지 않도록 DAMA/LIBRA 와 같은 종류의 실험으로 직접적인 비교를 통해 증명될 필요가 있다. 이에 KIMS실험은 DAMA/LIBRA에서 사용하는 검출기인 NaI(Tl)검출기를 이용하여 WIMP 탐색을 하는 COSINE 실험을 진행하게 되었다. COSINE-100 실험은 총 질량 106 kg인 8개의 고 순도 NaI(Tl) 검출기를 KIMS실험이 진행되었던 양양의 지하실험실에 설치하였다. 2016년 9월에 설치된 이 검출기를 통해 2년 동안 받은 데이터로 WIMP의 연간변조신호를 분석한다면, DAMA/LIBRA의 결과가 WIMP에 의한 것이 맞는 지 아닌지 증명을 할 수 있을 것으로 기대된다.