암흑물질 정체 밝히나?… 1000배 정밀한 ‘양자 검출기’ 등장

우주의 약 85%를 차지하고 있으나 실체가 밝혀지지 않은 ‘암흑물질(Dark Matter)’을 포착하기 위한 인류의 도전이 새로운 국면을 맞았다. 최근 나노 기술과 양자 역학을 결합해 기존보다 민감도를 1,000배 이상 높인 ‘차세대 양자 검출기’가 개발되면서 암흑물질의 비밀을 풀 열쇠가 될지 학계의 이목이 쏠리고 있다.

◇ 무거운 입자만 잡던 시대는 끝

그동안 과학계는 암흑물질이 무거운 입자(WIMP)일 것이라 가정하고 대형 검출기를 운영해왔다. 하지만 수십 년간의 탐사에도 성과가 없자, 최근에는 아주 가벼운 입자인 ‘액시온(Axion)’이나 ‘암흑 광자’ 등으로 연구의 무게중심이 이동하고 있다.

문제는 이 입자들이 너무 가벼워 기존 검출기로는 신호를 읽어낼 수 없었다는 점이다. 이번에 개발된 차세대 양자 검출기는 극한의 저온에서 작동하는 초전도 나노 소자를 활용해, 아주 미세한 에너지 변화까지 잡아내는 ‘양자 센싱’ 기술을 적용했다.

◇ 나노 소자로 구현한 ‘양자 센서’

이번 연구의 핵심은 양자 큐비트(Qubit) 기술을 검출기에 도입한 것이다. 외부 소음을 완벽히 차단한 상태에서 암흑물질 입자가 나노 소자와 부딪힐 때 발생하는 극미세 진동을 양자 신호로 변환해 포착한다.

연구팀은 “이번 검출기는 기존 장비보다 민감도가 1,000배 이상 높다”며 “마치 거대한 폭풍 속에서 나비의 날갯짓 소리를 가려내는 수준의 정밀함을 갖췄다”고 설명했다. 이를 통해 그간 이론으로만 존재했던 초경량 암흑물질 후보군을 실제로 관측할 수 있는 환경이 마련됐다.

◇ 우주 기원 밝힐 마지막 퍼즐

물리학계는 이번 기술이 우주 탄생의 비밀을 간직한 암흑물질의 정체를 밝히는 ‘게임 체인저’가 될 것으로 기대하고 있다. 암흑물질의 실체가 확인될 경우, 현대 물리학의 근간인 ‘표준 모형’을 보완하거나 완전히 재정립하는 역사적 전환점이 될 전망이다.

또한, 이번 연구에서 확보된 초정밀 양자 센싱 기술은 암흑물질 탐사뿐만 아니라 차세대 양자 컴퓨터, 초정밀 의료 진단 장비 등 다양한 산업 분야에도 파급 효과가 클 것으로 예상된다.

성치훈 기자/ hello@sciencewave.kr

출처: Phys.org (Advanced quantum detectors are reinventing the search for dark matter)

왜 암흑물질과 암흑 에너지가 존재한다고 믿는가?