"암흑물질 단서 찾았다"

우주를 구성하는 미지의 존재인 암흑물질의 단서를 과학자들이 찾아냈다. 

미국 물리학자 새뮤얼 팅이 국제우주정거장에 설치한 분광계를 이용해 암흑물질이 있음을 보여주는 단서를 찾았다고 발표했다. 스위스에 있는 유럽입자물리학연구소에서 발표된 이 연구결과는 물리학리뷰지에 실렸고, BBC방송 등 외신들이 이를 인용해 3일 일제히 보도했다. 

회전하는 은하 속에서 천체들이 흩어지지 않는 것은, 중력이 이들을 붙잡아주기 때문이다. 그런데 지금까지 알려진 중력만으로는 이 거대한 힘을 설명할 수가 없다.
1933년 스위스 물리학자 프리츠 츠비키는 보이지 않는 어떤 물질의 중력이 존재한다는 가설을 세웠다. 이 보이지 않는 물질, 즉 암흑물질은 빛을 흡수하고 전자기파로 관측되지 않기 때문에 중력의 작용과 소립자의 움직임 따위로 추측할 수밖에 없다. 

국제우주정거장에 붙어 있는 알파자기분광계. 사진/ 미 항공우주국

암흑물질의 정체는 아직 베일에 싸여있지만, 물질이자 반물질인 거대질량 소입자(윔프)로 추정된다.

(.. 어렵죠? -_- )

반물질은 통상의 물질을 구성하는 양성자·중성자·전자 등의 입자가 아닌 반입자(반양성자·반중성자·양전자 등)로 이뤄진 물질을 말한다. 물질과 반물질이 만나면 서로 소멸되면서 큰 에너지를 만들어낸다. 

팅 박사 팀은 소립자 250억개를 분광계로 끌어모아 관찰, 전자와 양전자 80억개가 충돌했음을 확인했다. 연구팀은 암흑물질이 충돌하면서 일어나는 상쇄의 과정으로 보인다고 밝혔다. 

연구팀은 양전자의 질량이 350기가전자볼트(1기가전자볼트는 1억전자볼트)에 이르는 것으로 추정했다. 팅은 “암흑물질의 입자는 수백 기가전자볼트의 질량을 갖는 것 같다”면서 “아직은 불확실한 게 많다”고 말했다.

학계의 관심을 모은 이번 연구의 주인공은 둘이다. 첫째는 중국계 미국인으로 매서추세츠공과대학 교수인 팅 박사다. 

올해 77세인 팅은 입자물리학의 대가로 이미 1979년 노벨물리학상을 수상했다. 미국에서 태어났지만 2살때 부모를 따라 중국으로 돌아간 뒤 산둥반도에서 일본군 침공을 겪었다. 전쟁 때문에 학교조차 가지 못하던 그는 대만으로 건너가 학교를 다녔으며, 20세에 출생지인 미국으로 유학을 떠났다. 

박사학위를 받은 뒤 유럽으로 옮겨가 유럽입자물리학연구소의 모태가 된 유럽핵연구기구 과학자로 활동했다. 여러 대륙을 오갔지만 노벨상 수상식에서는 중국어로 수상연설을 해 중국인들을 기쁘게 했다. 

스위스 제네바에서 기자들의 질문에 답하는 팅 박사. 사진/ 신화통신

1995년 예순을 앞둔 팅은 새로운 도전에 나섰다. ‘알파자기분광계(AMS)’라는 걸 만들어서 암흑물질과 반물질을 연구하자는 구상을 내놓은 것이다. 20억달러(2조2000억원)를 들여 우주에 실험장치를 설치한다는 거대 프로젝트였다. 2003년 미국 우주왕복선 컬럼비아호 사고가 일어나면서 위기를 맞기도 했지만 2011년5월 마침내 국제우주정거장에 AMS를 장착할 수 있었다.

미 에너지부 후원으로 16개국 과학자 500여명이 제작한 AMS는 이번 연구의 두번째 주인공이다. 

네덜란드에 있는 유럽우주국 연구기술센터에서 제작된 이 장비는 미국 플로리다주 케네디우주센터로 옮겨진 뒤 엔데버호를 타고 우주정거장에 실려갔다. 

무게 6,7톤의 AMS에는 포획된 입장의 방향을 좇는 항성추적기, 입자의 에너지를 추적하는 전자기열량계, 고에너지 입자의 속도를 재는 전이방사성검출기 등 8개의 측정모듈이 달려 있다. 팅 박사와 AMS는 18년에 걸친 노력 끝에 암흑물질의 존재를 입증하는 성과를 거뒀다.

암흑물질이란?

역시 미지의 존재인 암흑에너지와 함께 우주의 대부분을 구성하는 것으로 추정되는 물질. 직접 탐지되지 않고 중력효과에 의해서만 관찰되기 때문에 암흑물질이라는 이름이 붙었다. 과학자들은 우주공간에 설치한 알파자기분광계와 스위스-프랑스 국경지대 지하에 있는 거대강입자가속기를 가지고 암흑물질 입자의 충돌을 확인하기 위한 실험과 관측을 하고 있다.

이번에 팅 박사가 발표한 연구는 우주공간에서 암흑물질의 존재를 입증할 입자들의 에너지를 확인했다는 데에 의미가 있다. 그러나 암흑물질을 명확히 확인하려면 이 물질을 구성하는 것으로 추정되는 ‘임프’의 충돌을 직접 포착해야 한다. 이 연구에는 좀더 오랜 시간이 걸릴 것으로 과학자들은 보고 있다.