국내 연구진, 암흑물질 ‘액시온’ 고주파 탐색 감도 세계 최고 수준 달성

국내 연구진이 우주 구성의 핵심 미제로 남아 있는 암흑물질 탐색에서 중요한 진전을 이뤘다. 기초과학연구원(IBS) 암흑물질 액시온 그룹 윤성우 CI 연구팀은 독자 개발한 다중 셀 구조의 공진기(multi-cell cavity)와 초전도 신호 증폭 기술을 결합해 고주파 영역에서 액시온 탐색 성능을 세계 최고 수준으로 끌어올리는 데 성공했다고 밝혔다.

액시온, 암흑물질의 유력 후보

액시온(axion)은 물질과 반물질의 비대칭 현상, 이른바 CP 대칭성 문제를 설명하기 위해 제안된 가설 입자로, 극도로 가볍고 전기적으로 중성이며 다른 물질과 거의 상호작용하지 않는다. 이러한 특성은 우주 물질의 약 85%를 차지하면서도 정체가 밝혀지지 않은 암흑물질(dark matter)과 일치해, 물리학계에서는 액시온을 암흑물질의 유력한 후보로 본다.

액시온이 실제로 존재한다면 우주의 기원과 작동 원리를 설명하는 핵심 단서를 제공할 것으로 기대된다. 그러나 액시온은 신호가 매우 미약하기 때문에 강한 자기장·극저온 환경에서 공진기(resonant cavity)를 이용해 미세한 전자기 신호를 포착해야 한다. 특히 고주파 탐색으로 갈수록 공진기 부피가 줄어 감도가 급격히 떨어지기 때문에, 고주파 영역 탐색은 세계적으로 기술적 난제로 남아 있었다.

다중 셀 공진기와 양자 증폭 기술로 한계 돌파

IBS 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 내부를 8개의 동일 구조 셀(cell)로 나눈 다중 셀 공진기를 독자 설계·제작했다. 기존 방식처럼 공진기 부피를 줄이지 않고도 공진 주파수를 높일 수 있어 감도를 유지할 수 있다는 장점이 있다. 여기에 일본 이화학연구소(RIKEN)–도쿄대 연구팀이 개발한 양자 증폭기(JPA)를 결합해 잡음을 최소화하고, 극미약 신호 검출 능력을 확보했다.

연구진은 8테슬라(T)의 강한 자기장과 약 40밀리켈빈(mK, -273.11℃) 극저온 환경에서 공진기를 안정적으로 구동하며 약 5.9기가헤르츠(GHz) 고주파 대역을 정밀 탐색했다. 그 결과 미국 HAYSTAC 연구 등 기존 동일 주파수대 실험 대비 약 2배 향상된 민감도(탐색 감도)를 달성했으며, 기존 단일 원통형 공진기보다 약 3배 높은 주파수 영역에서도 안정적 성능을 확인했다.

암흑물질 액시온 탐색 가능성 한 단계 확대

이번 실험에서 액시온 존재 신호는 관측되지 않았다. 그러나 대표적인 액시온 이론 모델인 KSVZ가 예측하는 신호 세기 수준까지 탐색 감도를 끌어올렸다는 점에서 의미가 크다. 안새벽 박사후연구원은 “예측 수준의 감도까지 도달했음에도 신호가 없었다는 것은, 해당 주파수 영역의 액시온 존재 가능성을 실험적으로 배제한 것”이라고 설명했다.

윤성우 CI는 “다중 셀 공진기를 이용한 고주파 탐색 기술의 실증을 통해 향후 탐색 범위 확대의 기반을 마련했다”며 “민감도 최적화와 국제 협력을 통해 암흑물질 탐색 영역을 지속 확장할 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구 성과는 국제학술지 Physical Review Letters에 11월 17일자로 게재됐다.

김지윤 기자/ hello@sciencewave.kr