암흑물질 '액시온' 사냥...어디까지 왔나

암흑물질은 우주 물질의 85%를 차지한다. 그러나 아직 아무도 본적이 없다. 우주의 구조를 이룰 것이라는 이론만 존재한다. 그러하기에 천체물리학자들도 이론으로 예측된 존재를 조금씩 탐색해 나갈 뿐이다. 국내 연구진이 '액시온'이라는 암흑물질 사냥에 나서 사냥범위를 일부 줄였다. 건초더미에서 바늘찾기 만큼 어렵고, 힘든 과정이지만 일부 성과를 냈다. IBS는 액시온 및 극한상호작용 연구단이 지구 자기장의 24만배에 이르는 12T(테슬라)세기의 자석을 구현하고, 이 장비로 액시온 질량이 4.24~4.91µeV(마이크로전자볼트, 주파수로 1.025~1.185㎓)에 해당하는 주파수 범위를 세계 최고 감도로 탐색하는데 성공했다고 22일 밝혔다. 암흑물질의 후보로 거론되는 액시온(Axion)은 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. 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 5천만 배가량 넓다. 이에 액시온 연구자들은 목표로 하는 각 영역 맞춤형 장비를 개발해 일부분씩 액시온의 흔적을 샅샅이 찾는다. 연구 결과는 지난 8월 12일 국제학술지 '피지컬 리뷰 X(Physical Review X, PRX)'에 게재됐다. PRX 연구의 공동교신저자인 정우현 연구위원은 “약 1㎓의 주파수 영역에서 초당 약 100건의 DFSZ 액시온-광자 변환이 발생하는데, 이때 발생하는 불필요한 배경 잡음은 초당 약 4천개에 달한다”고 말했다. 정 위원은 “실험의 난이도로 인해 DFSZ 액시온을 탐색할 수 있는 연구팀은 전 세계적으로 두 곳뿐"이라며 "이 중 1㎓ 이상의 주파수에서 고감도로 액시온 탐색에 성공한 건 현재까지 IBS 연구진이 유일하다”고 설명했다. 한편 액시온 및 극한상호작용 연구단의 고주파수 팀은 고주파 신호를 탐색하기 위해 원통형 공진기를 피자 조각을 자르듯 여러 개의 방으로 나눈 '피자 공진기(다중방 공진기)'를 고안했다. 연구팀은 "12T의 고자기장 환경에서 방이 3개인 삼중방 피자 공진기로 액시온 검출 실험을 진행했다"며 "실험 결과, 액시온이 질량 22µeV 영역에서 존재할 가능성을 90% 신뢰 수준으로 배제했다"고 말했다. 이 연구 결과는 7월 31일 국제학술지 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters, PRL)'에 게재됐다. PRL 연구의 교신저자인 윤성우 연구위원은 “액시온 암흑물질 탐색은 건초더미에서 바늘을 찾는 일과 비슷하다”고 설명했다.