강원도 정선 1,000m 지하에서 우주의 비밀을 밝혀낸다
강원도 정선 1,000m 지하에서 우주의 비밀을 밝혀낸다
  • 이웃집과학자
  • 승인 2022.10.05 21:07
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과학기술정보통신부(이하 ‘과기정통부’)와 기초과학연구원(이하 ‘IBS’)은 10월 5일(수), 강원도 정선군 예미랩 지상연구실에서 예미랩 준공식을 개최했습니다.

 

예미랩은 강원도 정선군 예미산 지하 1,000m에 위치한 고심도 지하실험시설입니다. 2020년 8월 지하터널 공사를 완공하였고, 올해 9월 차세대 대용량 검출기 인프라 구축 공사와 지상연구실 리모델링을 완료했습니다. 그동안 IBS 지하실험 연구단은 현재 강원도 양양군에 있는 지하 700m 아래 300㎡ 규모 양양실험실에서 실험을 해왔었는데요. 연구시설의 깊이와 크기 모두 한계에 다다랐습니다. 

예미랩 개요도. 깊이 : 약 1,000m, 면적 : 약 3,000m2 (LSC 홀, AMoRE 홀과 사다리형 터널) . 출처 : IBS
예미랩 개요도. 깊이 : 약 1,000m, 면적 : 약 3,000m2 (LSC 홀, AMoRE 홀과 사다리형 터널) . 출처 : IBS

그러나 올해 9월, 예미랩이 완공됨에 따라 IBS 지하실험 연구단은 약 3,000㎡ 면적의 세계 6위급(면적 기준) 지하실험시설에서 본격적으로 암흑물질1) 탐색과 중성미자2) 연구에 박차를 가할 수 있게 됐습니다. 

[1] 우주를 구성하고 있는 것으로 추정되는 아직 알려지지 않은 물질, 우주에너지의 약 26% 정도를 차지하고 있다고 추정됨

[2] 우주를 구성하는 기본입자이며 경입자(가벼운 입자)의 한 그룹으로 전하량이 없음

 

암흑물질의 존재와 중성미자의 특징을 밝히는 연구는 세계 물리학계에서 우선적으로 풀어야 할 과제로 꼽히는데요. 그러나 암흑물질과 중성미자가 내는 신호는 포착하기 매우 어렵기 때문에 배경잡음(우주선 등)을 최대한 줄일 수 있는 연구 환경이 필요합니다. 이 때문에 세계적 연구그룹들은 경쟁적으로 지하 깊은 곳에 연구시설을 구축하여 연구를 진행합니다.    

 

IBS 지하실험 연구단은 예미랩 완공을 계기로 2023년부터 양양실험실의 실험장비를 이전해 중성미자 미방출 이중베타붕괴(AMoRE-II) 연구와 암흑물질탐색(COSINE-200) 연구 등 우주의 근원을 탐구하는 연구를 본격적으로 수행할 예정입니다.

예미랩 지하실험시설 중 실험구역. 출처 : IBS
예미랩 지하실험시설 중 실험구역. 출처 : IBS

 

중성미자 미방출 이중베타붕괴 연구

아모레(AMoRE-II) 실험은 몰리브덴을 이용해 중성미자 물리적 특성을 규명하는 연구입니다. 양양에서 수행된 AMoRE-1 실험에 이어 예미랩에서는 몰리브덴 결정 크기를 기존 6kg에서 200kg까지 키워 진행할 예정이라고 합니다. 

 

중성미자는 표준모형(standard model)에서 물질을 구성하는 12개의 기본 입자(더 이상 쪼개지지 않는 최소 단위) 중 하나로 현재까지 발견된 종류는 전자 중성미자, 타우 중성미자, 뮤온 중성미자의 세 가지입니다.

 

표준모형은 입자와 우주에 대한 몇 가지 근본적인 문제에 대한 해답을 제시하지 못하고 있는데요. 그 문제들은 다음과 같습니다. (1) 중성미자의 질량: 아직 정확한 질량이 확인되지 않음, (2) 4번째 중성미자의 존재 여부: 기존 알려진 3종류와 함께 ‘비활성 중성미자’가 있을 것으로 예측되며, 이는 암흑물질의 후보로도 여겨짐, (3) 반(反)중성미자의 성질 규명 : 중성미자와 물리적 성질이 같으나 전하가 다른 ‘반(反)    중성미자’가 존재하는지, 아님 반중성미자가 따로 없는 ‘마요라나 페르미온 입자’인지 여부.

 

중성미자의 성질 규명은 빅뱅 직후 우주에서 물질과 반물질이 함께 만들어졌지만, 어떻게 물질만 비대칭적으로 남아 현재의 우주를 구성했는지를 설명할 수 있는 핵심 열쇠(key)입니다.

 

암흑물질탐색 연구(COSINE)

코사인(COSINE-200) 실험은 우주의 약 26%를 차지하지만, 현재까지 관측된 적 없는 암흑물질을 탐색하는 연구입니다. 암흑물질은 작은 입자들을 뭉치게 하는 '중력의 우물' 역할을 하는데요. 최초의 별을 만드는 등 우주의 탄생 그리고 인류의 존재를 가능하게 한 물질입니다. 

 

지구로 날아온 암흑물질과 COSINE 검출기 내 결정(아이오딘화나트륨, NaI)의 충돌 과정에서 암흑물질의 흔적을 탐색합니다. IBS 지하실험 연구단은 암흑물질의 유력한 후보로 알려진 윔프(WIMP, Weakly Interacting Massive Particle) 입자에 대한 연구 성과를 2018년 네이처(Nature)지에 게재하여 세계 물리학계 주목을 받은 바 있습니다. 

 

이외에도 IBS 지하실험 연구단은 타 기관과 예미랩을 공동 활용할 계획인데요. (1) 기상청은 국가 지진 관측망 구축과 지진관측장비 성능검증을 위한 실험실을 조성 중이며, (2) 한국지질자원연구원은 심부 암반의 거동연구, 지하공간의 특성 평가와 모니터링, 안정성 연구 등을 위해 예미랩을 활용하고 있습니다. 또한 국가수리과학연구소, 경북대학교, 한국원자력연구원, 한국표준과학연구원 등과도 공동 활용을 추진 중이다. 

 

지하에서 실험하는 이유

우주선 효과를 최대한 줄이기 위해서는 지하로 깊이 들어갈수록 유리하기 때문입니다. 또 터널 자체에서 나오는 방사능 수치도 다른 실험실에 비해 현저히 낮습니다. 일본의 카미오칸데와 비교하면 약 100배 정도 더 낮습니다.

 

예미랩에 들어가기 위해서는 15층 아파트에 설치되는 일반 승강기보다 4배나 빠르게 움직이는 초속 4m짜리 고속 승강기를 탑승해 무려 600m나 되는 수직터널을 이동해야합니다. 잠실에 있는 롯데 타워의 높이가 555m이니 세계에서 5번째로 높은 빌딩 높이보다 더 깊은 엘리베이터입니다.

 

수직 깊이가 깊은 덕분에 미국항공우주국(NASA)에서 자유낙하할 때 생명체의 반응에 대해 연구하고 싶다는 협력 요청도 있었다고 하네요. 지하실험 연구단은 국내 연구기관 뿐만 아니라 미국 중성미자 연구그룹(IsoDAR) 등 해외 연구기관과의 공동 연구도 추진할 예정입니다.


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