DNA로 암흑물질을 검증한다

쪼개진 DNA 재조립, 암흑물질 움직임 예측

다수의 과학자들이 암흑물질의 존재를 주장하고 있다.

우주에 널리 분포하지만 빛이나 입자를 전혀, 혹은 거의 방출하지 않으면서 다른 입자들과 상호작용을 하지 않고 있는 별개의 물질이다.

그동안 과학자들은 이 물질의 존재를 탐지하기 위해 많은 노력을 기울여왔다. 대표적인 곳이 이탈리아 ‘그란 사소(Gran Sasso) 국립연구소’다. 강력한 탐지기 ‘XENON1T’를 통해 입자 후보물질을 탐지해왔다.

과학자들이 암흑물질 규명을 위해 아직 밝혀지지 않은 입자의 진행 방향을 탐지할 수 있는 DNA를 적용한 새로운 검출기를 개발하고 있다. 사진은 허블 우주망원경이 촬영한 총알성단에서의 질량 분포도. ⓒWikipedia

미약한 암흑물질 검출기 성능 새롭게 혁신

‘XENON1T’이란 알프스 산 아래 지하 공간에 설치한 거대한 액체 크세논(Xe) 통을 말한다.

태양계가 거대한 우주 공간을 빠르게 이동하고 있기 때문에 그 안에 있는 지구 역시 ‘암흑물질의 바다(ocean of dark matter)’를 빠르게 통과해야 한다.

이 과정에서 액체 크세논이 암흑물질로 추정되는 ‘윔프(WIMP, Weakly Interacting Massive Particles)’를 식별하고 있었다. 그리고 지난해 6월 과도한 신호가 검출돼 과학자들이 그 원인을 추적하고 있는 중이다.

그러나 아직까지 이 신호가 정확히 무엇을 의미하는지 밝혀내지 못하고 있으며, 과학계는 암흑물질에 대한 더 많은 데이터를 요구하고 있다. 암흑물질에 대한 규명이 우주 연구에 그만큼 중요한 위치를 차지하고 있기 때문.

향후 연구 과정을 통해 WIMP가 성공적으로 검출된다면 우주 전체에 흩어져있는 WIMP의 총 질량을 계산해낼 수 있다.

앞으로 우주가 수축할 것인지 아니면 팽창할 것인지, 팽창‧수축을 한다면 얼마나 빠른 속도로 진행될 것인지, 더 나아가 은하가 어느 부분에 밀집할 것인지 등을 예측할 수 있게 된다. 우주에 대한 근본적인 질문에 대해 답변이 가능해진다.

암흑물질을 부정하려는 시도들이 계속해서 실패로 돌아가고 비주류 이론으로 남아있는 현 상황에서 대다수 과학자들은 암흑물질의 존재를 상정할 만한 이유가 충분이 있다고 보고 있다.

문제는 검출기의 성능이다.

‘XENON1T’을 비롯한 유사 검출기를 통해 암흑물질 입자에 대한 증거를 확보해야 하지만 그 가상의 입자들이 어디에서 오는지 파악하지 못하고 있었다.

이런 문제는 우주의 팽창‧수축 등 물리학자들이 데이터에서 추론할 수 있는 것에 대해 상당한 제약을 가하고 있다. 암흑물질 입자가 액체 크세논을 통과할 때 생성하는 트랙을 매핑할 수 있는 검출기 개발이 시급한 상황이었다.

암흑물질 입자의 궤도를 재구성해 매핑

이런 분위기 속에서 호주 시드니 대학교의 시아란 오헤어(Ciaran O’Hare) 교수 연구팀이 DNA를 활용한 획기적인 성능의 검출기를 개발하고 있다.

1일 미 과학잡지 ‘디스커버(Discover)’ 지는 이들 과학자들이 암흑물질의 존재뿐만 아니라 어디서 와서 어디로 가는지 이동 방향까지 감지할 수 있는 새로운 형태의 차세대 검출기를 만들고 있다고 보도했다.

오헤어 교수는 인터뷰를 통해 “사상 처음으로 암흑물질 입자가 기계 내부에서 상호 작용하는 방식을 시뮬레이션 하는데 성공했으며, 이 기기를 통해 기존 검출기의 단점을 상당 부분 커버할 수 있을 것”이라고 설명하고 있다.

과학계로부터 이 검출기가 주목을 받고 있는 것은 특이하게도 DNA 가닥을 기반으로 하고 있기 때문이다.

어떤 종의 바이러스유전자도 2중가닥 DNA로 구성돼 있다. 2개의 DNA분자가닥이 1개의 축 주위에 나선모양으로 서로 얽혀 있는데 새로 개발 중인 검출기에서는 미세한 DNA 가닥이 나노 분해능으로 알려진 검출기 내의 위치하고 있다.

따라서 어떤 암흑물질 입자가 검출기에 들어가면 그 경로에 있는 DNA 가닥을 쪼갤 수 있으며, 결과적으로 그 과정에서 쪼개진 미세한 조각들이 검출기 안에 설체한 유체 수집 시스템에 포착된다.

오헤어 교수는 “DNA의 핵산 분자(nucleic acid molecules)의 염기쌍 서열은 중합효소 연쇄 반응 (PCR)을 통해 정확하게 증폭시켜 측정할 수 있기 때문에 쪼개져 수집된 DNA 가닥의 원래 공간 위치를 나노 수준에서 재구성할 수 있다.”라고 말했다.

교수는 “이런 식으로 어느 방향에서 날라 오는 지 예측할 수 없는 암흑물질 입자의 궤도를 재구성해 매핑할 수 있다.”라고 설명하고 있다.

DNA를 암흑물질 검출기에 사용하자는 아이디어는 지난 2012년에 제시됐었다.

그리고 시뮬레이션 작업을 마친 지금 다양한 유형의 암흑물질 입자가 어느 정도 에너지를 지니고 있으며, 어떤 방향으로 진행하고 있는지 검증하는 일이 가능하다는 결론에 도달하고 있다.

오헤어 교수 “지구가 포함돼 있는 우리 은하의 회전 방향과 일치하는 반동 트랙을 검색하면 잠재적인 암흑물질 신호를 정확하게 테스트할 수 있을 뿐만 아니라 우주광선, 방사성 붕괴와 같은 배경 잡음의 원인 등을 명확히 구별할 수 있다.”라고 말했다.

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