기초연, 액시온 암흑물질 사냥 범위 좁혀

PRL 연구에 사용된 실험 장비. (IBS 제공)/뉴스1

(대전=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 액시온 암흑물질의 사냥 범위를 좁혔다.

기초과학연구원(IBS) 액시온 및 극한상호작용 연구단 연구진은 암흑물질 사냥 범위를 좁힌 실험 결과를 22일 밝혔다.

우주 물질의 약 85%를 구성하지만 본질이 아직 밝혀지지 않은 암흑물질의 후보로 거론되는 액시온은 아주 작은 질량을 가지며 주변을 진동하며 떠돌고 있을 것으로 추정된다.

이 물질을 잡아내기 위해 과학자들은 강력한 자석을 쓴다. 액시온이 자기장과 만나면 질량에 상응하는 주파수를 갖는 광자(빛)로 변환된다.

또 미약한 세기의 주파수를 공진기를 이용해 증폭하고 검출하면 해당 영역의 액시온 존재 여부를 파악할 수 있다.

문제는 액시온의 질량 즉, 변환된 주파수를 알 수 없다는 것이다.

이론적으로 예측된 방대한 주파수 영역을 라디오 주파수를 맞추듯 조금씩 바꿔가면서 탐색해야 한다.

이론이 예측하는 액시온의 주파수 영역은 FM 라디오 주파수 영역보다 5000만 배가량 넓다.

이에 연구진은 액시온을 설명하는 이론 모델 중 가장 높은 감도를 요구하는 ‘DFSZ 액시온’ 탐색을 목표로 했다.

연구진은 액시온 검출 확률이 자기장이 클수록 높아진다는 점에 착안, 지구자기장의 24만 배에 이르는 12T(테슬라)의 자석을 구현했다.

또 신호 검출을 방해하는 배경 잡음을 최소화하기 위해 초저온 환경을 마련하고 양자역학 원리에 기반한 첨단 판독 전자장치를 사용해 탐색 속도를 대폭 높였다.

연구진은 구축한 장비로 액시온 질량이 4.24~4.91µeV(마이크로전자볼트, 주파수로1.025~1.185GHz)에 해당하는 주파수 범위를 세계 최고 감도로 탐색했다.

지난 연구에서 질량 4.55µeV 영역의 좁은 범위를 빠른 시간에 고감도 탐색이 가능함을 입증하며 ‘화려한 데뷔’를 알린 데 이어 이번 연구에서는 더 넓은 영역을 탐색하며, 독자 개발한 장비가 액시온이 존재할 것으로 추정되는 방대한 영역을 모두 탐구할 훌륭한 탐색 전략이 될 수 있음을 증명했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 '피지컬 리뷰'에 지난 12일 게재됐다.

memory4444444@news1.kr