우주의 96%는 어디에? 암흑물질과 중성미자를 찾는 위대한 동맹, IBS-INFN 센터 출범

우주의 96%는 어디에? 암흑물질과 중성미자를 찾는 위대한 동맹, IBS-INFN 센터 출범

안녕하세요, 지식의 우주입니다. 우리가 밤하늘의 별을 보며 감탄하는 우주, 반짝이는 은하와 성운들. 이 모든 것이 우주의 전부라고 생각하기 쉽습니다. 하지만 놀랍게도 우리가 눈으로 보고 관측할 수 있는 물질은 우주 전체의 고작 4%에 불과합니다.


그렇다면 나머지 96%는 무엇일까요? 이 거대한 미지의 영역은 과학계 최대의 난제인 암흑물질과 암흑에너지로 채워져 있습니다. 특히 우주의 구조를 만드는 데 결정적인 역할을 하는 암흑물질의 정체를 밝히는 것은 현대 물리학의 가장 큰 숙제입니다.


여기에 더해, 우주를 이루는 또 다른 기본 입자이지만 여전히 수수께끼투성이인 중성미자 역시 우리가 풀어야 할 비밀입니다. 이 거대한 우주의 두 가지 난제, 암흑물질과 중성미자의 비밀을 풀기 위해 한국과 이탈리아가 역사적인 동맹을 맺었습니다. 오늘 지식의 우주에서는 새롭게 출범하는 IBS-INFN 중성미자 암흑물질 센터의 흥미진진한 도전을 자세히 들여다봅니다.

우주의 96%는 어디에? 암흑물질과 중성미자를 찾는 위대한 동맹, IBS-INFN 센터 출범

우주의 96%, 보이지 않는 지배자

우리가 아는 모든 물질, 즉 수소, 헬륨, 그리고 우리 몸을 이루는 원자들은 우주의 4%뿐입니다. 나머지 96%는 그야말로 암흑 속에 가려져 있죠. 과학자들은 이 중 27%를 암흑물질로, 69%를 암흑에너지로 추정합니다. 암흑에너지는 우주를 가속 팽창시키는 미지의 힘이며, 암흑물질은 우주의 구조를 붙잡아 두는 보이지 않는 접착제입니다.

중력으로만 존재하는 암흑물질

암흑물질은 이름 그대로 빛을 내지도, 반사하지도, 흡수하지도 않습니다. 전자기력과 상호작용하지 않기 때문에 현존하는 어떤 망원경으로도 직접 볼 수 없습니다.


하지만 우리는 암흑물질이 존재한다는 강력한 증거를 가지고 있습니다.

• 은하의 회전 속도: 은하 중심에서 멀리 떨어진 별들은 중력이 약해져 더 느리게 돌아야 합니다. 하지만 실제 관측 결과는 예상보다 훨씬 빠르게 돌고 있었습니다. 이는 눈에 보이지 않는 무언가가 추가적인 중력을 제공해 별들을 붙잡고 있다는 뜻입니다.

• 중력 렌즈 현상: 멀리서 오는 빛이 거대한 은하단 근처를 지날 때, 은하단의 중력 때문에 빛이 휘어집니다. 이 휘어지는 정도를 계산해 보면, 눈에 보이는 물질의 질량만으로는 설명이 불가능합니다. 보이는 것보다 5~6배나 많은 질량, 즉 암흑물질이 필요합니다.

과학자들은 이 암흑물질의 유력한 후보로 윔프(WIMP)나 액시온(Axion)과 같은 새로운 입자들을 가정하고 있습니다. 이 입자들은 우리 주변에 항상 존재하지만, 물질과 거의 반응하지 않아 검출하기가 극도로 어렵습니다.

중력렌즈현상

모든 것을 뚫고 지나가는 유령 입자, 중성미자

중성미자 역시 암흑물질만큼이나 신비로운 입자입니다. 중성미자는 우주에서 광자(빛) 다음으로 가장 많은 입자입니다. 태양의 핵융합 반응이나 초신성 폭발 같은 격렬한 우주 현상에서 엄청난 양이 쏟아져 나옵니다.


이 중성미자는 전기적으로 중성이며, 질량이 다른 입자들에 비해 상상할 수 없을 만큼 가볍습니다. 가장 큰 특징은 다른 물질과 거의 상호작용을 하지 않는다는 점입니다. 이 글을 읽는 순간에도 수백조 개의 중성미자가 우리 몸과 지구를 아무런 방해 없이 꿰뚫고 지나가고 있습니다. 그래서 유령 입자라는 별명이 붙었죠.


하지만 이 중성미자가 아주 작은 질량을 가지고 있다는 사실이 밝혀지면서(표준모형의 예측을 벗어나는 현상입니다), 물리학계는 큰 충격에 빠졌습니다. 중성미자의 정확한 질량과 그 특성을 밝혀내는 것은 물질의 기원과 초기 우주의 비밀을 푸는 결정적인 열쇠입니다.

땅속 가장 깊은 곳에서 우주를 연구하다

그렇다면 이처럼 보이지도 않고, 잡히지도 않는 암흑물질과 중성미자를 어떻게 연구할 수 있을까요?
아이러니하게도 가장 거대한 우주의 비밀을 풀기 위해 과학자들은 땅속 가장 깊은 곳으로 향합니다. 지표면은 우주에서 날아오는 수많은 입자들, 즉 우주 방사선의 폭격을 받고 있습니다. 이 입자들은 우리가 찾으려는 암흑물질이나 중성미자의 희미한 신호에 비하면 엄청나게 시끄러운 소음과 같습니다.


따라서 이 소음을 완벽하게 차단하기 위해, 두꺼운 암석층을 방패 삼아 수백 미터, 혹은 1킬로미터 이상 깊은 지하에 검출기를 설치합니다. 이곳에서 과학자들은 극도로 민감한 장비를 이용해, 어쩌다 한 번 암흑물질이나 중성미자 입자가 검출기 물질과 충돌하며 남기는 미세한 빛이나 에너지를 포착하려 애쓰고 있습니다.

세기의 만남: 한국 IBS와 이탈리아 INFN

이처럼 극한의 정밀함을 요구하는 연구를 위해, 세계적인 두 연구 기관이 손을 잡았습니다. 2025년 10월 30일, 대전 기초과학연구원(IBS) 본원에서 IBS-INFN 중성미자 암흑물질 센터의 문이 활짝 열렸습니다.


이 센터는 한국의 기초과학연구원(IBS)과 이탈리아 국립핵물리연구소(INFN) 산하의 그란사소국립연구소(LNGS)가 공동으로 설립한 글로벌 연구 거점입니다. 단순한 교류 협력을 넘어, 두 기관이 하나의 조직처럼 움직이는 강력한 동맹입니다.

• 공동 운영 시스템: IBS 지하실험연구단의 김영덕 단장님과 그란사소연구소의 에치오 프레비탈리 소장님이 공동 책임자를 맡아 대등한 리더십을 발휘합니다.

• 안정적인 재정 지원: 두 기관이 매년 30만 유로(약 5억 원)씩 동일한 금액을 공동 투자하는 매칭펀드 방식으로 운영됩니다.

• 장기적인 비전: 우선 5년간 운영되며, 성과 평가를 거쳐 최대 10년까지 지속될 장기 프로젝트입니다.

이번 협력은 IBS가 세계 최고 수준의 연구 그룹과 협력하기 위해 추진하는 글로벌 협력연구센터 프로그램의 일환으로 성사되었습니다.

예미랩과 그란사소: 지하 연구의 두 거인

이번 협력이 특별히 주목받는 이유는, 세계 최고 수준의 지하 실험 인프라를 갖춘 두 기관의 만남이기 때문입니다.

이탈리아 그란사소연구소 (LNGS)

그란사소연구소는 이탈리아 아펜니노 산맥의 그란사소 터널 옆, 지하 1,400미터 깊이에 위치한 세계 최대 규모의 지하 연구 시설입니다. 1980년대부터 운영되어 온 이곳은 그야말로 지하 입자물리학의 성지라 불릴 만합니다. 수많은 국제 공동 연구팀이 이곳에서 중성미자 진동 실험, 암흑물질 탐색 등에서 역사적인 성과들을 거두었습니다.

한국 예미랩 (Yemilab)

한국 역시 세계적인 수준의 지하 연구 시설을 보유하고 있습니다. 바로 강원도 정선군에 위치한 예미랩(Yemilab)입니다. IBS 지하실험연구단이 운영하는 예미랩은 지하 1,000미터 깊이에 위치한 국내 유일의 고심도 지하 실험 시설입니다.
예미랩은 특히 암흑물질의 유력한 후보인 윔프(WIMP)를 탐색하는 코사인-100(COSINE-100) 실험을 성공적으로 운영하며 국제적인 명성을 쌓았습니다. 코사인-100 실험은 과거 이탈리아 그란사소의 다마(DAMA) 실험팀이 주장했던 암흑물질 발견 신호를 검증하기 위한 중요한 실험으로, 그 자체로 이번 협력의 필요성을 잘 보여줍니다.

공동의 목표: 암흑물질과 중성미자의 비밀을 풀다

한국의 예미랩과 이탈리아의 그란사소, 이 두 거대한 지식의 기지가 힘을 합쳐 무엇을 하려는 걸까요?
가장 큰 목표는 우주의 구조와 진화를 밝히기 위한 실험의 정밀도를 극한까지 높이는 것입니다. 암흑물질과 중성미자 연구는 아주 미세한 신호를 잡아내거나, 혹은 수십 년을 기다려도 일어나지 않을 희귀한 현상을 포착해야 하는 극한의 싸움입니다. 두 기관이 가진 최고의 기술력과 축적된 데이터, 그리고 인적 자원을 합치면 그 가능성은 몇 배로 커집니다.


또한, 이번 센터 설립을 통해 두 나라의 젊은 연구자들이 자유롭게 교류하며 공동으로 차세대 검출 기술을 개발하게 됩니다. 이는 한국과 이탈리아 모두의 기초과학 연구 역량을 한 단계 끌어올리는 훌륭한 기회가 될 것입니다.

끊임없이 도전하는 우주 비밀 풀기

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지식의 우주 코멘트

우주의 96%가 비밀에 싸여있다니, 생각할수록 정말 신기하지 않나요? 우리는 어쩌면 우주라는 거대한 극장의 4%짜리 무대만 겨우 보고 있었는지 모릅니다. 보이지 않는 암흑물질과 유령 같은 중성미자를 찾기 위한 이 거대한 국제 협력은, 인류가 우주의 나머지 96%라는 본무대로 나아가기 위한 위대한 첫걸음이 될 것입니다. 예미랩과 그란사소에서 들려올 놀라운 발견 소식을 함께 기다려보시죠!