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[IT뉴스]암흑물질 찾다 '가장 희미한 중성미자' 잡았다

온카뱅크관리자

2026-09-01 17:57:25

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 <img alt="이탈리아 그란사소 산맥 지하 1400m에 설치된 XENONnT-TPC. XENON Collaboration 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202609/01/dongascience/20260901175010787lxgs.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="1dlW03oMea" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202609/01/dongascience/20260901175010787lxgs.jpg" width="658">
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 이탈리아 그란사소 산맥 지하 1400m에 설치된 XENONnT-TPC. XENON Collaboration 제공
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 암흑물질을 찾기 위해 개발된 초고감도 검출기가 지금까지 관측하지 못했던 저에너지 태양 중성미자를 포착했다. 암흑물질 검출 기술이 극도로 미약한 중성미자 신호까지 잡아낼 수준으로 발전했다는 의미다. 역설적으로 앞으로는 중성미자가 암흑물질 신호를 가리는 '배경 잡음'으로 작용할 수도 있다는 분석도 나온다.
 지난달 31일(현지시간) 과학매체 '사이언티픽 아메리칸' 보도에 따르면 제논(XENON) 협력단 연구팀은 이탈리아 그란사소 국립연구소의 암흑물질 검출 실험 '제논엔티(XENONnT)'에서 지금까지 관측된 것 중 가장 미약한 중성미자 충돌 신호를 검출했다고 발표했다. 측정 결과가 단순한 통계적 우연일 가능성은 100만분의 1보다 낮은 것으로 분석됐다.
 중성미자는 전하가 없고 질량이 매우 작은 기본입자다. 태양 내부의 핵융합 반응이나 초신성 폭발, 원자로의 핵분열 과정 등에서 생성된다. 다른 물질과 거의 반응하지 않아 지구를 그대로 통과할 수 있으며 그만큼 검출도 어렵다.
 기존 중성미자 검출기는 충돌 과정에서 비교적 큰 에너지가 방출되는 경우를 주로 포착한다. 제논엔티는 중성미자 검출 에너지 문턱을 약 17킬로전자볼트(keV)까지 낮췄다. 지금까지 중성미자 실험에서 달성한 가장 낮은 에너지 문턱이다.
 연구팀에 따르면 포착된 저에너지 태양 중성미자 충돌에서 발생하는 에너지는 유럽입자물리연구소(CERN) 대형강입자가속기(LHC)에서 일어나는 양성자 충돌 에너지의 약 10억분의 1 수준이다. 중성미자가 전자와 충돌하면서 만들어낸 극히 미약한 에너지를 제논엔티가 포착한 것이다.
 검출된 신호는 대부분 태양에서 에너지를 만들어내는 양성자-양성자(pp) 핵융합 반응에서 생성된 중성미자로 분석됐다. pp 중성미자는 태양에서 방출되는 중성미자의 대부분을 차지한다.
 제논엔티가 이처럼 약한 신호를 감지할 수 있었던 것은 아이러니하게도 중성미자보다 더 찾기 어려운 '암흑물질'을 탐색하기 위해 제작됐기 때문이다. 제논엔티는 원래 우리 은하의 입자 암흑물질을 직접 탐색하기 위해 설계됐다.
 핵심 장치는 이탈리아 그란사소 산맥 지하 1400m에 설치된 5.9톤의 초고순도 액체 제논을 담은 '이중상 제논 시간투영챔버(TPC)'라는 고정밀 입자 검출기다. 입자가 제논과 충돌할 때 발생하는 극미량의 빛과 전기 신호를 감지하는 방식을 활용한다.
 암흑물질은 우주 전체 물질의 약 85%를 차지하는 것으로 추정되지만 빛을 방출·흡수하지 않아 관찰이 어렵다. 입자 형태의 암흑물질이 지구를 계속 통과하고 있을 것으로 예상되지만 지금까지 직접적인 검출에 성공하지 못했다.
 연구자들은 수십 년 동안 암흑물질 검출기의 잡음을 줄이고 민감도를 높여왔다. 연구결과는 암흑물질 탐색을 위해 발전한 검출 기술이 과거에는 관측이 불가능했던 미약한 중성미자 신호까지 검출할 수 있는 수준에 이르렀다는 점을 입증한 셈이다.
 분석을 공동 주도한 고바야시 마사토시 일본 나고야대 부교수는 "저에너지 중성미자 물리학에 기여하는 중요한 이정표"라고 평가했다. 제논 협력단 소속 루카 그란디 미국 시카고대 교수는 "암흑물질 검출 기술이 얼마나 성숙했는지를 보여주는 강력한 증거"라고 덧붙였다.
 이번 발견은 역설적으로 암흑물질 탐색이 새로운 한계에 가까워진다는 의미기도 하다. 검출기가 더욱 민감해지면 중성미자 역시 빈번하게 관측돼 암흑물질 신호와 구분하기 어려워질 수 있다. 중성미자가 암흑물질 탐색의 불가피한 배경 신호가 되는 것이다.
 소중호 기초과학연구원(IBS) 책임기술원은 "암흑물질 탐색 검출기가 결국 가장 문제가 될 것으로 예상했던 태양 중성미자 영역까지 도달했다는 데 의미가 있다"며 "이 영역에 도달하면 태양 중성미자가 배경 요인으로 작용하기 때문에 앞으로는 암흑물질 신호와 이를 구분할 수 있어야 한다"고 설명했다.
 소 책임기술원은 "낮은 에너지 영역의 신호를 볼 수 있게 됐다는 것 자체는 의미가 있다"며 "다만 물리적인 의미를 구체적으로 논하려면 충분한 데이터를 장기간 축적할 필요가 있다"고 덧붙였다.  
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 XENONnT 액체탱크 내부 모습. XENON Collaboration 제공
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 [문혜원 기자 moony@donga.com]
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