기초과학연구원(IBS) 암흑물질 액시온 연구그룹윤성우 CI 연구팀이 암흑물질 유력 후보인 액시온을 찾기 위한 탐색 영역을 지금까지 기술적으로 접근이 어려웠던 고질량(고주파) 영역까지 넓히는 데 성공했습니다.

우주 물질의 85%를 차지하는 것으로 알려진 암흑물질은 빛과 거의 상호작용하지 않아 정체가 베일에 가려져 있습니다.

유력 후보 중 하나인 액시온은 1977년에 제안된 이론적 입자로 매우 가볍고 전기적으로 중성이어서 직접 검출이 어렵습니다.

대신 강한 자기장과 공진기를 이용해 미세한 전자기 신호로 변환해 포착을 시도합니다.

문제는 이 신호가 극도로 약해 잡음을 최소화해야 하고, 고질량 영역으로 갈수록 공진기 제어가 어려워져 탐색에 한계가 있었습니다.

연구팀은 이 한계를 넘기 위해 'TM020 고차 공진모드'라는 특수한 전자기파 공진방식을 적용한 새 공진기를 제작했습니다.

여기에 독자 개발한 정밀 주파수 조정 장치를 결합해 주파수를 정밀하게 조절할 수 있도록 했습니다.

또 우주보다 훨씬 차가운 절대온도 40밀리켈빈, 영하 273도에 가까운 극저온과 지구 자기장의 24만 배의에 달하는 강한 자기장 환경에서 실험을 진행했으며, 이에 더해 양자증폭기를 도입해 잡음을 최소화하고 극도로 약한 신호까지 포착할 수 있도록 했습니다.

이를 통해 스마트폰 와이파이 대역과 비슷한 5기가헤르츠 구간, 질량으로는 약 21마이크로전자볼트 범위에서 처음으로 고차 공진모드 탐색에 성공했습니다.

특히 대표적 액시온 이론인 'KSVZ 모델'이 예측한 신호 강도에 1.7배 수준까지 검출할 수 있는 민감도에 도달하며, 이론적 문턱에 한 발 더 다가섰다는 평가입니다.

윤성우 연구책임자는 "이번 연구가 고차 공진모드를 이용한 액시온 탐색의 실험적 가능성을 처음으로 입증한 사례"라며, "앞으로 암흑물질의 정체 규명과 차세대 액시온 검출 전략에 중요한 토대가 될 것"이라고 밝혔습니다.

이번 성과는 세계적인 물리학 학술지 '피지컬 리뷰 레터스'에 8월 26일자로 실렸습니다.

TJB 대전방송