유령이나 귀신, 특이한 복장의 꼬마 아이들이 동네를 돌아다니며 사탕이나 초콜릿을 달라고 귀여운 협박을 하는 날입니다. 할로윈은 원래 천주교에서 모든 성인 대축일인 11월 1일의 전야에 죽은 영혼들이 다시 살아나 돌아다닌다는 미신에서 비롯된 것으로 돌아다니는 죽은 영혼들을 거꾸로 무섭게 놀래켜주며 쫓아낸다는 전통 행사에서 비롯된 축제라고 합니다.  

이런 할로윈 데이에 다른 사람들과는 조금 다른 정령(?)을 위한 축제를 여는 사람들이 있습니다. 전세계 입자 물리학자들의 네크워크 그룹인 Interactions Collaborations이라는 기관은 2017년 올해부터 10월 31일을 암흑물질의 날로 정한다고 발표를 했고, 이를 기념하기 위한 행사들이 전 세계 입자물리 관련 연구실을 중심으로 10월 31일을 전후해서 이루어졌습니다. 밴쿠버에 위치한 캐나다 국립 입자 물리 연구소인 TRIUMF에서는 밴쿠버 베니어 파크에 위치한 스페이스 센터(The H.R. MacMillan Space Centre)에서 지난 10월 28일 ‘우주의 유령 : 암흑물질의 사냥'이라는 다큐멘터리 영화를 무료로 상영하는 행사를 가졌습니다. 

중력은 질량에서 비롯되는 힘입니다. 질량을 갖는다는 것은 중력에 영향을 받는다는 것이며, 동시에 중력이 발생했다는 것은 주위에 그만큼의 힘을 만들어낼 수 있는 질량이 존재한다는 것을 의미합니다. 매우 단순하고 명료해 보이는 이 명제에 처음 큰 문제가 생긴 것은 약 80여년전인 1933년이었습니다. 은하단에 대한 연구를 하던 스위스의 천체 물리학자 프리츠 츠비키(Fritz zwicky)는 은하가 계산된 속도보다 너무나 빠른 속도로 회전하고 있다는 사실을 관측합니다. 그만큼의 속도로 회전을 하려면 더 강한 중력이 있어야 하기 때문에 매우 큰 질량을 갖는 물질들이 은하단에 더 많이 있어야만 하는데, 실제 관측되는 은하단 내부 물질들의 총질량은 그에 비해 터무니없이 적은 양이었습니다. 이에 츠비키는 당시 과학으로 측정이 불가능한 미스테리의 물질이 은하내에 존재할 가능성이 있다는 주장을 제기했습니다. 중력이 있다는 것은 물질이 있다는 것인데, 아직 우리의 과학기술로 확인할 수는 없는 물질일 것이라는 주장입니다. 이후 지난 80여년간 많은 관측을 통해서 실제 존재해야만하는 질량에 비해 관측되는 질량이 적다라는 것은 많은 천체물리 관측을 통해서 확인되었고, 이렇게 정체를 들어내지 않는 물질을 암흑물질(dark matter)라고 부르기 시작했습니다. 

암흑물질의 정체는 아직까지도 직접적으로 관측되고 있지 않지만, 그 존재의 간접적인 증거는 많은 곳에서 관측되고 있습니다. 암흑물질의 존재에 대한 관측으로 가장 유명한 과학자는 지난 해에 세상을 떠난 미국의 천문학자 베라 쿠버 루빈 (Vera Cooper Rubin)입니다. 나선구조로 회전하고 있는 은하의 운동모습이 중심에서 먼 곳에서도 중심부와 크게 다른지 않은 속도로 빠르게 회전한다는 것을 처음으로 발견한 것이 바로 그녀의 업적입니다. 나선구조로 회전을 한다면, 변기에 물을 내릴 때 물이 빨려 내려가듯이 중심부의 속도가 가장자리보다 빠른 것이 당연한 현상입니다. 그럼에도 불구하고 이렇게 가장자리 부분의 속도가 크게 느리지 않다는 것은 가장자리부분에 우리가 관측하지 못하는 무거운 질량을 갖는 물질이 존재한다는 간접적인 증거다라는 것이 그녀의 결론이었고, 이것이 바로 암흑물질의 존재를 보여주는 것이라고 해석했습니다. 이후에도 많은 연구진을 통해 다양한 증거들이 관측되었지만, 안타깝게도 아직 암흑물질 그 자체를 관측하지는 못하고 있습니다. 더욱 당황스러운 것은 현재 우리의 과학기술로 관측이 가능한 물질들은 이 우주에 고작 5%미만이라는 것입니다. 이 우주의 95%는 아직까지도 베일에 쌓여 우리에게 그 모습을 직접적으로 들어내지 않고 있으며, 암흑물질은 그중에 일부일 뿐입니다. 그렇기에 이미 대부분을 다 알고 있는 우주 중에 작은 부분, 그래서 크게 신경쓰지 않아도 되는 것을 모르는 것 뿐이라고 위안삼을 수 조차 없습니다. 과학을 통해 우주에 대한 것을 알아가는 우리의 모습을 눈이 보이지 않는 장님이 코끼리를 더듬어 만져가며 코끼리를 알아가고 있는 것과 비교하곤 하는데, 이 표현을 이용하자면 이제 우리는 코끼리의 5%정도밖에 만져보지 못한 것입니다. 코끼리의 모습의 5%밖에 만져보지 못했지만, 울음소리도 들었고, 귀를 팔랑거릴 때 얼마나 큰 바람을 일으킬 수 있는지는 간접적으로 느낄 수 있는 덕분에 아직 만져보지 못한 부분들에 대한 어림짐작을 할 수 있는 정도입니다. 하지만, 이런 확실치 않은 어림짐작은 그부분들을 직접 만져보고자 하는 과학자들의 열망을 더욱 더 부추기는 원인이 됩니다. 

보일듯 말듯, 관측할 수 있을듯 말듯, 존재한다는 확신을 주기에 충분한 증거를 던져주면서도 절대 그 본 모습을 보여주지 않는 암흑물질이 이들 입자물리학을 연구하는 과학자들에게는 할로윈에 떠돌아다닌다는 유령과 정령들과 같게 느껴지는 것이 이들이 할로윈을 ‘암흑물질의 날'이라고 지정하게 된 이유라고 말합니다. 암흑물질을 떠돌아다니는 유령과 비슷하다고 비유하는 과학자들의 윗트에 즐겁기도 하지만, 동시에 80여년 가까이 잡힐 듯 잡히지 않는 유령을 쫓고 있는 그들의 간절함을 느낄 수 있는 듯 합니다. 올해부터 한 과학단체에 의해 지정된 날이기에 아직은 많은 사람들이 알지 못하지만, 더 많은 사람들이 할로윈 데이와 함께 암흑물질의 날을 즐기는 날이 오기를 희망합니다. 더 많은 사람들이 관심을 갖고 알고자 한다면, 머지 않아 암흑물질이라는 고스트를 뚫어볼 수 있는 방법을 찾을 수 있을 것이라 생각합니다. 암흑물질을 나타내는 커스튬을 입고 할로윈 축제를 가는 것도 좋은 아이디어가 아닐까 생각합니다. 아직 그 누구도 암흑물질이 어떻게 생겼는지조차 모르기에 어떤 커스튬을 만들어 입어야 할지는 모르겠지만 말입니다.