‘암흑물질’ 1분에 1개꼴 인체 충돌…영향은?

암흑물질 검출 실험에서 인체에는 평균 1분에 1개의 암흑물질 입자가 충돌하고 있다는 연구 결과가 나왔다고 25일 미국 내셔널지오그래픽뉴스가 전했다.

암흑물질은 빛에 반응하지 않기 때문에 눈에 보이지 않지만, 은하 및 은하단 등에서 중력의 영향으로 관측되기 때문에 우주에는 이 수수께끼의 물질이 80% 이상 차지할 것으로 추정되고 있다.

지금까지 암흑물질을 구성하는 입자가 특별히 정해진 바는 없으나 가장 유력한 후보는 윔프(WIMP·Weakly Interacting Massive Particles)라 불리는 입자 그룹이다. 윔프는 ‘일반 물질과 전자기적인 상호작용이 거의 없는 무거운 입자들’을 지칭한다.

명칭에서 알 수 있듯이 중입자(바리온)라는 일반 물질에 대해 거의 영향을 미치지 않는다. 인체를 포함한 우주 대부분의 물질을 통과해 버리는 것으로 알려졌다.

하지만 일정한 질량을 가진 윔프는 때때로 원자핵과 충돌할 수 있으며 그 충돌은 지금까지의 생각보다 자주 일어날 수 있다고 한다.

연구를 이끈 미시간대 미시간이론물리센터의 천체물리학자 캐서린 프리즈 교수는 “이전에는 윔프가 인체 내의 원자핵과 부딪힐 확률이 일생에 1번 정도로 생각했지만, 이번 연구 결과 1분마다 충돌할 수도 있다.”고 말했다.

이론에 의하면 윔프는 다른 물질과 마찬가지로 우주의 탄생인 빅뱅 당시 생성됐다. 일반 물질과는 거의 상호작용하지 않지만 윔프끼리 충돌하면 모두 소멸하고 모든 질량은 에너지로 변한다.

연구에 참여한 스웨덴 스톡홀름대 오스카클라인센터 연구원 크리스토퍼 세비지는 “우주가 (팽창한 뒤) 식을 때 (윔프는) 매우 광범위하게 퍼져 더이상 소멸하지 않고 단지 그 위치에 갇혀 있는 것”이라고 설명했다.

실험 모델을 따르면 현재 지구와 인류는 초당 수십억 개의 윔프 내에 빠져 있다. 게르마늄 결정 등의 특정 물질에 윔프가 충돌할 확률과 그 충돌에서 발생하는 에너지의 양에 따라 윔프를 검출하는 실험이 몇 가지 고안되고 있다.

이번 실험에서도 연구진은 이런 계산 방법을 이용해 여러 종류의 윔프 질량과 수를 조사해 그 입자가 인체에 많이 들어있는 원자핵과 얼마나 자주 상호작용할지를 추산했다.

이에 대해 세비지는 “계산 방법은 있지만 실제로 인체를 대상으로 실험할 수 는 없었다.”고 말했다.

추산 결과, 산소와 수소는 비교적 윔프와 충돌하기 쉬운 것으로 나타났다. 인체는 많은 물(H₂0)을 포함하기 때문에 윔프와 상호작용할 가능성이 높다.

이번 연구에 따르면 600억 전자볼트(60GeV, 1GeV=양성자 1개의 질량에 갇혀있는 에너지)의 질량인 무거운 윔프는 몸무게 70kg의 인체에 포함되는 원자핵으로 매년 약 10개가 부딪힌다.

그런데 질량이 10~20GeV인 비교적 가벼운 윔프는 평균적인 인체의 원자핵에 매년 10만 개 단위로 충돌하는 것으로 추정된다.

물론 상호작용이 약하다는 것은 윔프가 부딪혀도 인체에 큰 위험은 없다는 말이다. 하지만 윔프끼리 충돌하면 소멸시 매우 큰 에너지 반응이 일어난다.

프리즈 교수는 “각각 양성자 100배의 질량을 가진 윔프끼리 충돌하면 양성자 질량의 200배 이상의 에너지가 발생한다. 이는 상당한 에너지”라고 말했다.

이어 “윔프가 인체 내에서 소멸하면 인체에 좋지 않으며 돌연변이의 원인이 될 수 있지만 그럴 가능성은 매우 낮다.”고 덧붙였다.

한편 지난 9일 논문 초고 등록사이트 아카이브(arXiv.org)를 통해 공개된 이번 연구 결과는 물리학 분야의 세계적 권위지인 미국 ‘피지컬 리뷰 레터스’(Physical Review Letters)에도 게재될 예정이다.

윤태희기자 th20022@seoul.co.kr