▲ 2020년 가동에 들어갈 IBS 우주입자연구시설 건설현장.2017년 8월 16일 IBS와 정선군, 한덕철광은 지하실험 연구단의 우주입자연구시설 구축을 위한 업무협약을 맺었다. 시설이 완공되면 30여 명의 연구원과 지원인력 15명이 상주해 중성미자 연구와 암흑물질 탐색이 진행될 예정이다.

우리원 지하실험 연구단(단장 김영덕)이 강원도 정선군 철광 지하 1,100에 우주입자연구시설을 구축한다. 연구단은 정선군 신동읍 예미산 일대 한덕철광의 철광 지하 1,100m 아래 약 2,000m2 규모의 연구시설을 2019년까지 지을 계획이다. 지하 연구시설 조성에 약 210억 원이 투입될 예정이다. 본격적인 실험은 2020년부터 시작된다.

▲ 2019년 가을 완공목표인 우주입자연구시설의 조감도. 정선군에 위치한 한덕철광 광산 내 조성될 연구시설 외에도 지상연구실과 연구인력을 위한 숙소시설도 건설될 예정이다.

연구단은 현재 강원도 양양군에 있는 한국수력원자력 양양 양수발전소의 협조로 지하 700m 아래 300m2 규모 실험실에서 천체입자 물리학 분야 실험을 수행중이다. 하지만 연구시설의 깊이와 크기 모두 한계에 이르러 새 연구시설의 필요성이 대두되었다. 새로 구축될 연구시설은 양양의 지하실험실보다 약 400m 더 깊이 내려간다. 연구단의 목표인 암흑물질 발견과 중성미자의 질량과 성질 규명에 더 가까이 다가갈 수 있게 되었다.

정체를 드러내지 않는 암흑물질의 발견과 유령입자로 불리는 중성미자는 현대 물리학의 최대 과제로 손꼽힌다. 암흑물질 검출과 중성미자 질량 측정은 우주의 기원과 물질의 존재를 이해하는데 관건이다. 암흑물질과 중성미자가 내는 신호는 매우 포착하기 어렵다. 때문에 실험 환경에서 배경잡음(우주선 등)을 최대한 줄여야 한다. 주변이 조용해야 미세한 소리를 들을 수 있는 원리와 같다. 전 세계 과학자들이 경쟁적으로 지하 깊은 곳에 검출장치를 설치하는 이유다. 2015년 노벨물리학상을 수상한 가지타 다카아키 일본 도쿄대 교수는 거대한 실험장치 '슈퍼-카미오칸데'를 폐광 지하 1,000m 아래 설치해 중성미자 진동현상을 관측했다.

연구단이 연구시설과 새 장비를 모두 갖추면, 중성미자 질량 검출 수준(민감도)는 약20meV(meV, 밀리전자볼트, 입자의 에너지를 나타내는데 사용하는 용어)로 크게 향상된다. 현재 양양 실험실에서 수행하고 있는 초기단계 실험의 검출 수준은 약 200meV 정도며 중성미자 질량은 측정이 어려울 만큼 작기 때문에 검출 질량의 수준을 낮추어야 측정 가능성이 높아진다. 현재 세계 최고 수준 민감도가 100meV 정도다. 암흑물질의 경우 배경잡음인 우주선이 5배 이상 차단될 것으로 예상된다. 잡음이 적으면 그만큼 암흑물질의 신호를 발견할 확률이 높아진다.

▲ 우주입자연구시설 내 실험 및 연구실 구축 배치도. 1,000m 지하에 구축될 연구시설의 규모는 총 2,000m2다.

연구단은 새 연구시설이 구축되면 세계적 연구그룹과 경쟁할 만한 연구 환경이 조성될 것으로 전망하고 있다. 연구시설에는 IBS의 실험장비 뿐 아니라 타 연구기관들의 장비들도 설치될 예정이어서 국내외 협업이 크게 확대될 것으로 기대된다. 김영덕 연구단장은 "우주입자연구시설이 완공되면 천체입자물리학 분야가 한 단계 도약하고, 세계적인 연구 성과를 창출할 수 있을 것"이라며 "연구단은 지역사회 과학 발전을 위해서도 노력할 것이다"고 말했다.

우리원은 우주입자연구시설 구축을 위해 정선군(군수 전정환), 한덕철광(대표 김명주)과 17일 강원도 정선군청에서 업무협력 협정(MOU)을 체결한다. 이번 협정으로 정선군 지방자치 단체와의 협력을 강화해 본격적인 건설단계에 들어선 우주입자연구기설 사업에 추진력을 더하게 되었다. 지난해 12월 우리원은 한덕철광 내 사업장에 우주입자연구시설 구축을 위한 협약을 맺은 바 있다. 정선군은 이번 사업이 국가 기초과학 발전에 기여하는 하는 것은 물론, 지역 경제발전에도 큰 도움이 될 것으로 기대하고 있다.

현재 연구단이 수행하는 연구는 크게 두 가지다. 우선, AMoRE(Advanced Mo-based Rare process Experiment) 실험은 중성미자 미방출 이중베타 붕괴 현상을 관측한다. 중성미자의 성질을 초저온냉동기 내 설치된 검출기로 관측하는 실험이다. AMoRE 실험은 반물질과 물질의 비대칭성을 설명할 수 있는 실마리를 제공한다. 다른 하나는 우주 구성과 탄생의 비밀을 지닌 암흑물질을 탐색하는 코사인(COSINE) 실험이다. COSINE 실험은 은하계에 널리 분포하고 있을 것으로 예상되는 암흑물질이 드물게 검출기와 충돌 시, 방출되는 신호를 측정한다. 여러 암흑물질 후보 중에서도 약하게 상호작용하는 무거운 입자인 '윔프(WIMP)'를 포착하는데 주력한다.