묵은 이끼가 낀 서늘한 동굴 속, 어른 키의 네다섯 배는 되는 철문이 병풍처럼 접히며 열렸다. 이윽고 고개를 젖혀도 끝이 잘 보이지 않을 만큼 거대한 실험시설들이 눈앞에 펼쳐졌다. 흡사 영화 속 미래 지하도시를 연상시키는 모습이었다. 이탈리아 반도의 아름다운 산줄기 아래 지하터널로 10㎞ 넘게 달린 뒤 도착한 ‘그랑사소국립연구소(LNGS)’의 입구다. 지난달 31일(현지시간) 한국 기초과학연구원(IBS) 방문단과 함께 올해 설립 35년째를 맞은 그랑사소연구소를 찾았다.
이탈리아핵물리연구소가 운영하는 그랑사소연구소는 이른바 ‘암흑물질(dark matter)’의 정체를 연구 중인 과학계의 세계적 시설이다. 학계는 이 물질이 우주의 약 25%를 차지하는 것으로 추정한다. 하지만 어떤 물질인지 정확하게 규명되지 않았다는 의미에서 암흑물질이라는 이름을 붙였다. 고(故) 이휘소 박사가 제시한 ‘윔프(WIMP)’, 김진의 경희대 교수가 제시한 ‘액시온(Axion)’을 비롯해 최근에는 ‘비활성 중성미자(sterile neutrino)’가 암흑물질의 유력 후보군으로 꼽힌다. 그랑사소연구소가 깊은 땅속에 건설된 건 이 후보 물질을 검출 혹은 관찰하기 위해 지면에서 나오는 중성자, 하늘에서 쏟아지는 우주입자를 막아야 하기 때문이다.
그랑사소연구소 내부에서는 암흑물질 후보군을 관찰하기 위해 세계 최첨단 수준의 다양한 실험 프로젝트가 진행되는 중이다. 각각 폭이 가로 100m, 세로 20m, 높이 18m로 이뤄진 실험공간 3개, 그리고 이를 연결하는 우회터널의 면적까지 합치면 총 면적이 18만㎡, 약 5만5000평에 달한다. 지하연구시설로는 세계 최대 규모다. 실제 실험공간 내부 통로 벽면에는 테라모(Teramo)와 라퀼라(L'aquila) 두 도시의 이름이 쓰여 있었다. 실험공간이 두 도시에 동시에 걸쳐 있다는 표시다.
그랑사소연구소는 국립공원인 그랑사소 산맥 지표면으로부터 1400m 아래에 위치하고 있다. 연구소에 연결된 고속도로 지하터널 천장에는 성인 두셋 정도는 걸어다닐 수 있을 법한 크기의 파이프가 펼쳐져 있었다. 방문단을 안내한 알마 포미콜라 연구본부장은 “연구소를 가운데 두고 양옆으로 같은 파이프가 연결돼 있다”면서 “예상치 못한 사고로 한쪽이 차단되더라도 다른 쪽에서 전력이나 공기순환을 시키려는 시설”이라고 설명했다.
윔프 입자를 검출하기 위해 그랑사소연구소는 인공 결정체(크리스털)를 사용하는 ‘사브르(SABRE)’ 프로젝트를 비롯해 땅속 아르곤 기체를 액화시켜 윔프를 감지하려는 ‘다크사이드(Darkside)’, 냉각 액화된 제논 가스를 사용하는 ‘제논앤톤(XENON-nT)’ 프로젝트 시설 등을 갖추고 있다. 이외 중성미자 이중베타붕괴 현상을 관찰하기 위한 ‘보렉스(BOREX)’, ‘큐피드(CUPID)’ 프로젝트도 진행 중이다. 이러한 다양한 프로젝트에 참여하기 위해 유럽과 미국 등 세계 각지에서 모여 연구소에 상주하는 연구인력만 100여명 규모다.
그랑사소연구소에서 이뤄지는 연구에 얼마나 많은 자원이 투입되는지를 보여주는 게 ‘로만레드(Roman lead)’다. 납으로 된 로마시대 유물을 녹인 것으로 검출 방사능이 매우 낮아 우수한 차폐제로 쓰인다. 일반 납보다 수천 배 비싸다. 그랑사소연구소 시설에는 로만레드가 약 6t 쓰였다. 강원도 양양의 암흑물질 검출 시설 ‘코사인(COSINE-100)’에는 200㎏ 정도가 보관돼 있다. 방문단을 안내한 스테파노 피로 책임연구원은 납으로 된 유물을 가리키며 “지중해 속으로 가라앉은 배 등에서 건져낸 유물”이라면서 “족히 2000년은 넘었다”고 설명했다.
함께 그랑사소연구소를 둘러본 김영덕 IBS 지하실험 연구단장은 “이탈리아는 오랜 세월 동안 축적된 기술력이 매우 뛰어난 국가”라면서 “그랑사소연구소는 이 같은 연구역량을 보여주는 좋은 예”라고 말했다. 이어 “국내 연구환경에서 이만큼의 다양한 시설을 갖추기는 어렵겠지만 연구역량을 집중한 양질의 연구로 좋은 결과를 얻어내는 데 노력을 기울이겠다”고 덧붙였다.
그랑사소연구소(이탈리아)=공동취재단, 조효석 기자 @kmib.co.kr
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