세계 두 번째로 암흑물질 후보 '액시온(Axion)' 탐색 실험을 시작한 기초과학연구원(IBS) 연구진이 실험실에서 기념촬영을 하고 있다. (IBS 제공) /뉴스1

국내 연구진이 우주를 구성하는 암흑물질 후보 '액시온(Axion)'을 찾는 가장 정밀한 실험 설비를 개발했다.

기초과학연구원(IBS)은 액시온 및 극한상호작용 연구단 야니스 세메르치디스 단장 연구팀이 미국 워싱턴대에 이어 세계 두번째로 ‘대통일 이론’을 기반으로 하는 액시온 암흑물질 탐색 실험을 시작했다고 20일 밝혔다.액시온은 현대 물리학의 정수인 표준모형에서도 설명하지 못한 우주를 구성하는 암흑물질 후보 중 하나다.

표준모형은 우주를 이루는 기본입자와 중력을 제외한 세 가지 힘, 이들 사이의 상호작용을 가장 잘 설명하는 이론이지만 설명 가능한 물질은 우주 전체의 5%에 불과하다. 학계에서는 암흑물질이 우주 전체의 26.8%를 차지한다고 추정하고 있다.

이 같은 한계를 극복하기 위해 등장한 이론이 ‘대통일 이론’이나, 암흑물질의 존재는 아직 실험적으로 검증되지 않고 있다. 액시온 암흑물질을 발견하다면 표준모형을 넘어 대통일 이론을 뒷받침할 근거가 마련되는 셈이다.지구에서 입자를 가장 높은 에너지로 가속시킬 수 있는 장치인 유럽입자물리연구소(CERN)의 대형강입자가속기(LHC)조차 대통일이론을 검증하기에는 에너지가 턱없이 부족하다.

지금까지 액시온 탐색은 실험의 난이도 탓에 미국 워싱턴대의 ADMX 국제 공동 연구 실험이 유일했다.

IBS 연구진은 실험 매개 변수들을 최첨단 수준으로 끌어올리며 세계 2번째로 대통일 이론 기반(DFSZ) 액시온 탐색 실험에 착수했다. 액시온 검출 확률은 자기장이 클수록 높아지는데, 연구진은 지구자기장의 30만배에 이르는 12테슬라(T)의 자석을 설치했다. 8T의 자석을 이용하는 ADMX보다 큰 규모다.

또 신호 검출을 방해하는 배경 잡음을 최소화하기 위해 절대온도 0도에 가까운 초저온 환경과 양자 기술을 접목했다.

연구진은 지난해 3월 진행한 실험에서 1.1기가헤르츠(GHz) 주변 주파수 대역에는 액시온이 없음을 확인한 바 있다. 현재의 액시온 탐색은 액시온이 이론적으로 존재할 것으로 추정되는 주파수 대역을 조사, 신호가 잡히지 않는 지역을 하나씩 지워나가는 식으로 진행한다.

고병록 연구위원은 "공진기에서 나오는 신호를 100% 읽어낼 수 있는 처리 시스템을 개발해 탐색 속도를 대폭 높였다"며 "덕분에 세계 최고 수준의 민감도를 유지하며 ADMX 설비로는 60일 동안 분석할 대역을 단 보름 만에 분석할 수 있었다"고 말했다.

이어 "액시온이 발견되고 이것이 암흑물질로 밝혀진다면 인류는 5%를 넘어 32%의 우주를 이해할 수 있게 된다"며 "도전적인 우리의 연구가 장차 궁극의 물리 이론인 '모든 것의 이론'으로 향하는 디딤돌의 되길 기대해본다"고 덧붙였다.


kjs12@news1.kr