암흑물질 '액시온'을 찾아라…최첨단 장비 개발

IBS 연구팀, 세계 두번째로 DFSZ 액시온 탐색 실험 나서

암흑물질의 후보로 거론되는 ‘액시온(Axion)’을 찾는 가장 정밀한 실험 설비가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

기초과학연구원(IBS)은 액시온 및 극한상호작용 연구단 소속 야니스 세메르치디스 단장 연구팀이 미국 워싱턴대에 이어 세계에서 두 번째로 ‘대통일 이론’을 기반으로 하는 액시온 암흑물질 탐색 실험을 시작했다고 20일 밝혔다.

기초과학연구원(IBS)의 암흑물질 엑시온 탐색 장비 CAPP-12TB 실험실 전경과 참여 연구진. 사진제공=IBS

현대 물리학의 정수인 표준모형(Standard Model)은 우주를 이루는 기본입자와 중력, 전자기력(전기를 띤 핵과 전자를 결합해 원자를 구성하는 힘), 강력(핵 속 양성자와 중성자를 이루는 힘), 약력(핵의 붕괴와 융합에 관여하는 힘) 등 총 네 가지의 힘이 존재하면서 상호작용한다고 본다. 표준모형은 과학자들에 의해 실험적으로도 검증됐다. 하지만 표준모형이 설명할 수 있는 물질은 우주 전체에서 고작 5%에 불과하다. 우주의 26.8%를 차지할 것으로 추정되는 암흑물질의 존재는 표준모형으로 설명하지 못한다

표준모형의 한계를 극복하기 위해 물리학자들은 여러 이론을 제시하고, 이를 실험적으로 검증하기 위한 노력을 펼치고 있다. 이 과정에서 등장한 이론이 ‘대통일 이론(GUT, Grand Unified Theory)’이다. 원래 힘은 하나였는데, 빅뱅 때 네 가지로 분리되었을 것이라는 가설이다. 표준모형은 약력과 전자기력을 하나의 힘으로 설명하는 데 성공했고, 이는 실험적으로 증명됐다. 여기에 강력까지 합치는 것을 ‘대통일 이론(GUT)’이라 한다. 중력까지 합쳐서 모든 힘이 통일을 이룬 경우가 ‘모든 것의 이론(ToE)’이다.

하지만 대통일 이론은 아직 실험적으로 검증되지 않았다. 지구에서 입자를 가장 높은 에너지로 가속시킬 수 있는 장치인 유럽입자물리연구소(CERN)의 대형강입자가속기(LHC) 조차 대통일이론을 검증하기에는 에너지가 턱없이 부족하다.

대통일 이론 기반의 액시온 암흑물질을 발견한다면, 대통일 이론을 지지할 수 있는 증거를 찾는 셈이다. 대통일 이론을 기반으로 예측한 액시온을 ‘DFSZ(Dine -Fischler-Srednicki-Zhitnitskii) 액시온’이라 부른다. DFSZ 액시온은 김진의 경희대 석좌교수가 제안해서 우리에게도 잘 알려진 액시온(표준 KSVZ 액시온) 보다 기존 물질과의 상호작용이 적다. 더 탐색이 어렵다는 의미다.

액시온은 강한 자기장과 만나면 빛(광자)으로 변하는데, 이를 단서로 1989년부터 전 세계에서 액시온 탐색 실험을 진행해왔다. 하지만 DFSZ 액시온 탐색의 경우 실험의 난이도 때문에 미국 워싱턴대의 ‘ADMX(Axion Dark Matter eXperiment)’ 국제 공동 연구 실험이 유일했다.

연구팀은 실험 매개 변수들을 최첨단 수준으로 끌어 올리며 세계 두 번째로 DFSZ 액시온 탐색 실험을 착수했다. 액시온 검출 확률은 자기장이 클수록 높아진다. 지구자기장의 30만 배에 이르는 12T(테슬라)의 자석을 설치했다. ADMX는 8T의 자석을 이용한다. 또한, 신호 검출을 방해하는 배경 잡음을 최소화하기 위해 절대온도 0도에 가까운 초저온 환경과 양자 기술을 접목했다. 공진기에서 나오는 신호를 100%를 읽어낼 수 있는 처리 시스템을 개발해 탐색 속도를 대폭 높였다. 덕분에 세계 최고 수준의 민감도를 유지하며 ADMX 설비로는 60일 동안 분석할 대역을 단 보름 만에 분석할 수 있는 장비를 개발했다.

이번 연구에는 2022년 3월 1일부터 18일까지 진행된 실험 결과가 실렸다. 연구팀은 1.1GHz(기가헤르츠) 주변의 주파수 대역에는 액시온이 없음을 확인했다. 현재의 액시온 탐색은 액시온이 이론적으로 존재할 것으로 추정되는 주파수 대역을 조사해 신호가 잡히지 않는 지역을 하나씩 지워나가는 식으로 진행된다.

고신록 IBS 연구위원은 “액시온이 발견되고, 이것이 암흑물질로 밝혀진다면 인류는 5%를 넘어 32%의 우주를 이해할 수 있게 된다”며 “도전적인 우리의 연구가 장차 궁극의 물리 이론인 ‘모든 것의 이론(Theory of Everything)’으로 향하는 디딤돌의 되길 기대해본다”고 말했다.

이번 연구 결과는 물리학 분야 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters, IF 9.161)’에 지난 16일 온라인 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr