우주의 대부분을 차지하지만 여전히 정체가 밝혀지지 않은 암흑물질 탐색 연구를 진척할 수 있는 성과가 국내에서 나왔다.
기초과학연구원(IBS)은 윤성우 암흑물질 액시온그룹장(CI) 연구팀이 암흑물질 유력후보 ‘액시온’을 찾는 실험에서 지금까지 기술적 한계로 접근하기 어려웠던 고질량(고주파) 영역까지 탐색을 확장하고 민감도를 크게 향상시키는 데 성공했다고 29일 밝혔다. 연구성과는 국제 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’에 26일 게재됐다.
지구가 지표면의 물체들을 붙잡아두듯 물질은 중력을 가진다. 하지만 우주에는 눈에 보이는 물질만으로는 설명할 수 없는 훨씬 큰 중력이 작용한다. 일반 물질과 달리 눈에 보이지 않지만 질량을 가져 중력을 야기하는 물질을 암흑물질이라고 한다. 우주에 존재하는 물질 중 암흑물질 비중은 85%로 일반 물질을 크게 웃돈다. 하지만 구체적으로 무엇이 암흑물질인지는 여전히 밝혀지지 않았다.
암흑물질의 정체로 거론되는 유력 후보 중 하나는 액시온이다. 액시온은 아직 실제로 발견되지 않은 채 매우 가볍고 전기적으로 중성을 띌 것으로 이론적 예측만 나온 상황이다. 윤 그룹장 연구팀은 강한 자기장과 공진기를 이용해 액시온의 미약한 신호를 찾는 탐색 연구를 수행해왔다. 액시온 탐색은 신호 잡음을 최소화하는 것이 관건이다.
또 탐색 대상인 입자의 질량이 커질수록 신호 주파수도 높아져 라디오 채널 맞추듯 공진기의 주파수를 미세하게 조정해 가능한 넓은 주파수 구간을 차례로 탐색해야 한다. 그러나 지금까지의 탐색은 주로 비교적 낮은 질량 영역에 집중돼 왔다. 고질량 영역으로 갈수록 공진기의 내부 공동 크기가 작아져 주파수를 정밀하게 조절하기 어렵고 신호 감도가 낮아지는 등 기술적 한계가 따르기 때문이다.
연구팀은 ‘TM₀₂₀ 고차 공진모드’라는 특수한 전자기파 공진 방식을 적용한 공진기를 새롭게 제작했다. 이 모드는 기존 방식에 비해, 같은 크기의 공진기에서도 더 높은 주파수 신호를 감지할 수 있어 고질량 액시온 탐색에 적합하다. 하지만 구조가 복잡해지고 원하는 주파수를 안정적으로 맞추기 어려워 실제 탐색 실험에 적용된 사례는 없었다.
연구팀은 독자 개발한 정밀 주파수 조정 장치를 결합했다. 공진기 내부에 총 5개의 조절 막대를 배치하고 이를 절개선과 홈을 넣어 유연한 변형이 가능하도록 설계한 블록형 ‘키리가미’ 구조체에 연결했다. 중앙 블록이 회전하면 구조체가 마치 힌지처럼 접히고 펼쳐지며 막대 간격이 정밀하고 균일하게 조절돼 공진 주파수를 부드럽고 안정적으로 조정할 수 있다.
실제 실험은 우주보다 훨씬 차가운 영하 273.11℃의 극저온, 지구 자기장의 24만 배에 달하는 12 테슬라(T)의 강한 자기장 환경에서 진행됐다. 이에 더해 연구팀은 양자증폭기(JPA)를 사용해 신호 잡음을 최소화하고 극도로 약한 신호까지 포착할 수 있도록 했다. 그 결과 스마트폰 와이파이와 유사한 주파수 대역인 약 5.079~5.171기가헤르츠(GHz), 질량으로는 20.97~21.33마이크로전자볼트(μeV) 구간에서 처음으로 TM₀₂₀ 고차 공진모드로 탐색 실험을 구현해 그 유효성을 입증했다.
연구팀은 이를 통해 탐색한 구간에서 이론 예측치의 약 1.7배 수준까지 검출할 수 있는 민감도에 도달했다. 기존에기술적 한계로 접근하기 어려웠던 수준으로,TM₀₂₀ 고차 공진모드를 적용해 이론 예측치에 근접한 신호 감지 성능을 확보한 최초의 성과다. 액시온의 흔적을 직접 포착할 수 있는 문턱에 한 걸음 더 다가선 셈이다.
윤 그룹장은 “이번 연구는 고차 공진모드를 이용한 액시온 탐색의 실험적 가능성을 처음으로 입증한 사례”라며 “암흑물질의 실체를 규명하고 인류 지식의 지평을 넓히는 데 중요한 토대가 되길 기대한다”고 말했다.
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