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[IT뉴스]우주 설명하는 암흑물질, AI 도움으로 '미개척지' 본격 탐색

온카뱅크관리자

2025-12-04 11:57:33

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> IBS, 암흑물질 후보 '낮은 질량 윔프' 탐색 민감도 세계 최고 수준 확보 
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 <img alt="암흑물질의 흔적을 포착하는 코사인-100 검출기. IBS 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202512/04/dongascience/20251204114744583yovb.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="Q2z1S1YCiw" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202512/04/dongascience/20251204114744583yovb.jpg" width="658">
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 암흑물질의 흔적을 포착하는 코사인-100 검출기. IBS 제공
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 한국 연구자들이 주도하는 국제공동연구팀이 암흑물질의 후보 중 하나인 '낮은 질량 윔프(WIMP)' 탐색 방법의 민감도를 세계 최고 수준으로 확보했다. 인공지능(AI) 기술을 활용해 잡음과 실제 신호를 효율적으로 분리한 덕분이다.
 기초과학연구원(IBS)은 지하실험 연구단이 이끄는 코사인(COSINE)-100 국제공동연구진이 머신러닝 기술을 도입해 탐색 가능한 암흑물질의 에너지 한계를 획기적으로 낮추는 데 성공했다고 4일 밝혔다. 연구결과는 2일(현지시간) 국제학술지 '피지컬 리뷰 레터스(PRL)'에 공개됐다. 
 우주를 설명하는 표준모형에 따르면 우주는 암흑에너지 68.3%, 암흑물질 26.8%, 물질 4.9%로 이뤄졌다. 암흑물질은 눈에 보이지 않지만 질량이 있어 중력이 작용해 천체의 움직임 등을 설명하는 개념이다.
 과학자들은 암흑물질이 존재한다고 가정하고 1970년대부터 본격적으로 암흑물질의 후보를 예측하며 탐색했다. 암흑물질 후보군은 보통 질량에 따라 구분된다. 처음 제시된 암흑물질의 후보군은 1970년 제시된 WIMP로 현재까지 유력한 후보로 언급된다. 약하게 상호작용하는 무거운 입자를 뜻한다.
 WIMP는 매우 드물게 원자핵과 충돌해 생긴 미약한 섬광을 전기적 신호로 변환하고 초정밀 검출기로 포착하는 방식으로 검증할 수 있다. 암흑물질의 증거 신호를 포착하기 위해서는 지하 깊은 곳에서 우주에서 날아오는 전자기파 등 배경 잡음(노이즈)을 최소화해야 한다.
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 <img alt="코사인-100 검출기 모식도. 요오드화나트륨 결정으로 암흑물질을 검출한다. IBS 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202512/04/dongascience/20251204114745838xpzq.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="xLoxbxfzLD" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202512/04/dongascience/20251204114745838xpzq.jpg" width="658">
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 코사인-100 검출기 모식도. 요오드화나트륨 결정으로 암흑물질을 검출한다. IBS 제공
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 최근에는 기존에 탐색하던 '무거운 WIMP'뿐 아니라 아직 탐색이 거의 이뤄지지 않은 10기가전자볼트(GeV, 에너지의 단위) 이하의 '가벼운 암흑물질' 영역 탐색이 주목받고 있다. 저에너지 영역을 탐색하려면 검출기에서 발생하는 극도로 미약한 저에너지 신호를 잡음과 구분해 내는 고도의 기술력이 필요하다.
 연구팀은 3년간의 관측 데이터를 정밀 분석하고 머신러닝 기반의 신호 판별 기술을 새로 도입해 기술적 난관을 돌파했다. 검출기에서 발생하는 미세한 빛 신호의 파형을 AI로 분석해 기존 방식으로는 구분하기 어려웠던 잡음과 실제 신호를 0.7킬로전자볼트(keV)의 초저에너지 영역까지 정확히 분리하는 데 성공한 것이다.
 연구팀은 "암흑물질이 만들 수 있는 가장 희미한 신호까지 포착하는 독자적 기술력을 확보했다는 것을 의미한다"고 설명했다.
 확보된 데이터를 바탕으로 가벼운 WIMP의 흔적을 추적한 결과 스핀 의존(Spin-Dependent) 상호작용 분석에서는 2.5GeV 질량 영역에서 기존 선도 그룹과 비슷한 수준의 검출 제한값을 확보했다. 스핀 의존 상호작용 분석은 암흑물질이 원자핵과 충돌할 때 원자핵의 자기적 성질인 스핀에 따라 신호가 달라지는 경우를 분석하는 방식이다.
 특히 중성 입자로 가정된 암흑물질이 원자핵과 충돌할 때 전자가 방출되는 미그달 효과를 분석에 새로 포함해 탐색 범위를 1GeV 이하로 매우 가벼운 암흑물질 영역까지 대폭 확장했다.
 암흑물질이 원자핵의 스핀과 관계없이 동일하게 상호작용하는 경우를 분석하는 스핀 독립 상호작용 분석에서도 기존 코사인-100 분석 대비 검출 민감도가 약 10배 향상됐다. 연구팀은 향상된 민감도를 활용해 이탈리아의 다마(DAMA) 실험을 기반으로 주장된 영역에 WIMP 신호가 존재하지 않는다는 사실을 재확인했다.
 코사인-100의 공동대표인 이현수 지하실험 연구단 부연구단장은 "머신러닝을 통해 기존 한계를 뛰어넘는 저에너지 탐색 능력을 확보하고 가벼운 암흑물질 탐색의 새로운 가능성을 열었다"며 "미그달 효과를 적용해 1GeV 이하 영역까지 탐색 범위를 확장한 것은 향후 암흑물질 연구의 중요한 이정표가 될 것"이라고 밝혔다.
 코사인-100은 IBS 지하실험 연구단이 주도하는 국제 공동 암흑물질 탐색 실험으로 강원도 양양 지하 실험실(Y2L)에서 2023년까지 진행됐다. IBS 지하실험 연구단은 2023년 양양 실험 종료 후 성능을 대폭 업그레이드한 후속 실험 코사인-100U(COSINE-100 Upgrade) 검출기를 강원도 정선 지하 연구시설 예미랩(Yemilab)으로 이전해 2025년 9월부터 본격 가동하고 있다.
 연구단은 고감도 검출기를 활용해 20메가전자볼트(MeV) 수준의 극저질량 암흑물질까지 탐색 범위를 넓혀 미지의 영역을 개척할 예정이다.
 &lt;참고 자료&gt; - doi.org/10.1103/77p2-rnbw
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 코사인-100 국제 공동 연구진. IBS 제공
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 [이병구 기자 2bottle9@donga.com]
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