'암흑물질의 비밀'에 도전

액시온 존재 가능 영역과 액시온 탐색 실험 현황이다. x축은 액시온 질량(혹은 질량에 상응하는 극초단파 주파수), y축은 액시온이 광자로 변환되는 결합 상수(광자로 변환되는 신호 세기)를 나타낸다. 하늘색은 'QCD 액시온 밴드'는 액시온이 이론적으로 존재할 수 있는 범위를 보여준다. KSVZ와 DFSZ는 액시온의 성질을 설명하는 두 모델의 예측이다. 파란색 CAPP-8TB가 이번 실험 결과다.

[아시아경제 황준호 기자] 우주를 이루는 가상물질인 암흑물질의 후보 중 하나로 거론되고 있는 '액시온'. 이 물질은 강한 자기장과 만나 빛(광자)으로 변한다고 알려져 있다. 전세계적으로 암흑물질의 비밀을 풀기 위해 액시온을 찾아나선 가운데, 국내 연구진이 액시온 탐색 결과를 발표했다.

기초과학연구원은 야니스 세메르치디스 액시온 및 극한상호작용 연구단장이 이끄는 연구진의 액시온 탐색 결과에 대해 20일 이같이 밝혔다.

연구진은 6.62 ~6.82 마이크로전자볼트(μeV) 질량 범위에서 액시온을 탐색해, 액시온이 없음을 확인했다. 이 범위 내에서의 액시온 탐색은 이번이 처음이다. 워싱턴대는 1.9~3.53μeV대에서 예일대는 23.15 ~ 24μeV 대에서 신호를 탐지하고 있다.

QCD 액시온밴드가 포함하는 신호 크기는 형광등보다 1억경(1024) 배나 작은 수준이다. 검출을 위해서는 고도의 기술이 필요하다. 연구진은 지구 자기장보다 16만배 강한 8테슬라 자기장을 내는 원통형 초전도 자석을 구현하고, 자석 중심에 안테나가 삽입된 금속 원통을 넣어 실험장치를 구축해 이번 조사결과를 냈다.

액시온이 발견되면 현대물리학의 난제를 풀 것으로 기대된다. 우리가 사는 우주가 물질로 이루어진 것은 태초에 빅뱅이 물질을 반물질보다 훨씬 많이 만들었기 때문으로 알려져 있는데, 액시온이 발견되면 이같은 가설을 입증할 수 있게 된다. 또 과학자 중에서는 액시온이 우주를 채우고 있는 '암흑물질'의 일종이라고 주장하고 있어, 이같은 주장도 확인할 수 있을 것으로 예상된다.

제 1저자인 이수형 연구기술위원은 "지금보다 두 배 넓은 질량 범위를 6개월 이내에 탐색할 예정"이라고 말했다. 또 검출기를 향상시켜 작은 신호영역을 더 빠르게 탐색하겠다고도 밝혔다.

이번 연구결과는 미국 물리학회 학술지 피지컬 리뷰 레터스에 14일(한국시간) 실렸다.

극저온 냉동기와 암흑물질 탐색 실험 'CAPP-8TB' 연구진.제 1저자인 이수형 연구기술위원(왼쪽부터), 교신저자인 고병록 연구위원, 안새벽 한국과학기술원 박사과정, 그리고 최지훈 전 IBS 연구위원.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr