국내 연구진이 세계에서 세 번째로 암흑물질 후보가 존재하지 않는 영역을 찾아냈다.

22일 기초과학연구원(IBS)은 액시온·극한상호작용 연구단 연구팀이 우주 속 암흑물질 후보인 '액시온'(Axion)이 없는 영역을 탐색해 냄으로써 액시온의 존재 입증에 가까이 다가갔다고 밝혔다.

▲ IBS 액시온·극한상호작용 연구단 연구팀

이는 미국 워싱턴대와 예일대에 이어 세계에서 세 번째로 이룬 성과이다.

우주 속 암흑물질은 빛과 상호작용하지 않기 때문에 눈에 보이지 않고 중력만으로 존재를 감지할 수 있다.

▲ 실험에 사용된 극저온 냉동기

입자물리학의 표준모형으로 설명되는 우리 눈에 보이는 우주는 4%에 불과하다. 나머지는 밝혀지지 않은 암흑물질(27%)과 암흑에너지(69%)로 구성돼 있다.

액시온은 암흑물질의 후보 중 하나로, 전 세계에서 이를 확인하기 위한 실험이 진행되고 있다.

액시온은 질량이 가벼워 매우 약하게 상호작용을 하기 때문에, 이를 찾아내기 위해서는 우선 강력한 자기장을 걸어 액시온 장의 일부를 전자기파를 방출할 수 있는 빛(광자)으로 바꾸어야 한다.

과학자들은 액시온이 존재할 수 있는 질량 범위와 광자로 바뀌었을 때 신호 크기의 범위를 토대로 액시온이 존재할 수 있는 영역을 이론적으로 계산, 이를 'QCD 액시온 밴드'라 이름 붙였다.
만약 액시온이 존재한다면 이 영역에서 신호가 발견된다는 뜻이다.

QCD 액시온 밴드 내 신호의 크기는 형광등 빛의 10의 24제곱 분의 1 수준으로 매우 작아 검출을 위해서는 민감도가 높은 수신 기술이 필요하다.

연구팀은 지구 자기장보다 16만 배 강한 8테슬라(Tesla) 자기장을 내는 초전도 자석에 안테나가 삽입된 금속을 넣어 액시온이 내는 광자의 신호를 읽는 데 성공했다.

실험은 증폭과 열로 발생하는 잡음을 줄이기 위해 영하 273도의 냉동기 안에서 진행됐다.

실험 결과 액시온 질량 범위가 6.62∼6.82μeV(마이크로일렉트론볼트)인 QCD 액시온 밴드 영역에는 액시온이 없는 것으로 확인됐다.

앞서 워싱턴대와 예일대 연구팀이 찾아낸 액시온이 존재하지 않는 QCD 액시온 밴드 영역(각각 질량 범위가 1.9∼3.53μeV, 23.15∼24μeV인 영역)과 함께 액시온 탐색 가능성을 높일 것으로 기대된다.

액시온은 물리학계의 난제인 '물질-반물질 비대칭 현상'을 해결할 열쇠로도 주목받고 있다.
우주에 빅뱅이 일어났을 때 물질과 반물질이 같은 양으로 만들어졌다면 모이면서 상쇄돼 소멸해야 한다.

그에 따른 우주 질량을 가늠해보면 현재 1∼10개 정도의 은하계만 남아있어야 하는데, 이론적으로 우주에는 3천500억개 이상의 은하계가 존재하는 것으로 알려졌다.

이를 설명하려면 물질이 반물질보다 훨씬 많이 퍼져 있는 물질-반물질 비대칭 현상이 존재해야 한다.

액시온은 이처럼 물리학 표준 모델로는 설명이 되지 않는 수수께끼를 풀기 위해 물리학자들이 고안해 낸 입자이다.

액시온이 발견되면 암흑물질의 기원을 밝히는 것은 물론 현대 물리학의 난제를 푸는 데도 기여할 전망이다.

제1저자인 이수형 연구기술위원은 "워싱턴대가 30년 이상, 예일대가 10년 이상 연구해 온 것을 이번 프로젝트를 통해 4년 만에 따라잡았다"며 "검출기 성능을 높여 작은 신호 영역 탐색에도 나설 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 '피지컬 리뷰 레터스'(Physical Review Letters) 지난 14일 자에 실렸다.

윤승훈 기자  press@jeonpa.co.kr

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