국내 연구진 `액시온` 존재 규명 한발짝

IBS 암흑물질 존재않는 영역 찾아
현대물리학 난제 푸는 단서 제공


국내 연구진이 우주 속 암흑물질 후보인 '액시온'이 존재하지 않는 영역을 찾아냈다. 현대 물리학의 난제로 꼽혀온 '액시온' 존재 규명을 위한 연구에 가까이 다가서는 발판을 마련했다는 평가다.

기초과학연구원(IBS) 액시온 및 극한상호작용연구단 야니스 세메르치디스 단장 연구팀은 6.62∼6.82μeV9(마이크로일렉트론볼트) 질량 범위 내에서 '액시온'이 없다는 사실을 확인했다고 22일 밝혔다.

이는 미국 워싱턴대, 미국 예일대에 이어 세계에서 세 번째로 이룬 성과다. 우리 눈에 보이는 우주는 4%에 불과하고, 나머지는 밝혀지지 않은 암흑물질(27%)과 암흑에너지(66%)로 구성돼 있다. 액시온은 질량이 가벼워 매우 약하게 상호작용을 하기 때문에, 이를 찾아내려면 우선 강력한 자기장을 걸어 빛(광자)로 변환시켜야 한다.

과학자들은 액시온이 존재할 수 있는 질량 범위와 광자로 변했을 때 신호 크기 범위를 이론적으로 추정하고, 이를 '양자색소역학(QCD) 액시온 밴드'로 명명했다. 액시온이 존재할 경우, 이 영역에서 신호가 발견된다는 뜻이다.

QCD 액시온 밴드가 포함하는 신호 크기는 형광등보다 1억배나 작은 수준으로, 고도의 기술이 있어야 검출할 수 있다. 이 수준에 도달한 후부터 특정 지점에 액시온 존재 여부를 알 수 있다. 이를 위해 과학자들은 탐지하는 질량과 신호 세기를 바꿔가며 액시온 검출을 위한 실험을 진행하고 있다.

하지만, QCD 액시온 밴드 영역의 신호를 검출할 만한 기술을 갖춘 실험 그룹은 전 세계 8곳 중 미국 워싱턴대, 예일대 등 2곳 뿐이다.

연구팀은 지구 자기장보다 16만 배 강한 8테슬라(T) 자기장을 내는 원통형 초전도 자석에 안테나가 삽입된 금속 원통을 넣어 액시온이 내는 광자 신호를 읽는 데 성공했다. 실험은 증폭과 열로 발생하는 잡음을 줄이고, 초전도를 유지하기 위해 영하 273℃ 냉동기 안에서 진행됐다. 그 결과, 액시온 질량범위가 6.62∼6.82μeV인 QCD 액시온 밴드 영역에는 액시온이 없는 것으로 확인됐다.

앞서 미국 워싱턴대와 예일대 연구팀은 각각 1.9∼3.53μeV, 23.25∼24μeV 영역에서 액시온이 존재하지 않는 것을 알아냈다. 연구팀은 우리가 확인한 영역대와 미국 연구팀의 연구결과를 토대로 액시온을 발견하게 되면 우주 암흑물질의 기원은 물론 현대 물리학의 난제를 푸는 데도 기여할 것이라고 설명했다.

이수형 IBS 연구기술위원은 "워싱턴대가 30년 이상, 예일대가 10년 이상 연구해 온 것을 이번 연구를 통해 4년 만에 따라 잡게 됐다"며 "검출기 성능을 높여 작은 신호 영역 탐색에도 나설 것"이라고 말했다.이 연구결과는 국제 학술지 '피지컬 리뷰 레터스(지난 14일자)'에 실렸다.

이준기기자 bongchu@dt.co.kr