암흑물질은 우주 물질의 약 85%를 구성하지만, 본질은 아직 밝혀지지 않았다. 이론으로 예측된 존재 영역을 일부분씩 탐색해가며 존재하지 않는 영역을 배제하는 식으로 실험이 이뤄진다.

국내 액시온 암흑물질 사냥꾼들이 액시온을 조금 더 궁지로 몰았다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 액시온 및 극한상호작용 연구단 연구진은 암흑물질 사냥 범위를 좁힌 논문 두 건을 국제학술지에 연달아 발표했다.

암흑물질의 후보로 거론되는 액시온(Axion)은 아주 작은 질량을 가지며, 주변을 진동하며 떠돌고 있을 것으로 추정된다. 이 물질을 잡아내기 위해 과학자들은 강력한 자석을 쓴다. 액시온이 자기장과 만나면 질량에 상응하는 주파수를 갖는 광자(빛)로 변환된다. 미약한 세기의 주파수를 공진기를 이용해 증폭하고, 검출하면 해당 영역의 액시온 존재 여부를 파악할 수 있다.

문제는 액시온의 질량 즉, 변환된 주파수를 알 수 없다는 것이다. 이론적으로 예측된 방대한 주파수 영역을 라디오 주파수를 맞추듯 조금씩 바꿔가면서 탐색해야 한다. 이론이 예측하는 액시온의 주파수 영역은 FM 라디오 주파수 영역보다 5,000만 배가량 넓다. 이에 액시온 연구자들은 목표로 하는 각 영역 맞춤형 장비를 개발해 일부분씩 액시온의 흔적을 샅샅이 찾는다.

IBS 액시온 및 극한상호작용 연구단의 메인 실험(CAPP-MAX)은 액시온을 설명하는 이론 모델¹⁾ 중 가장 높은 감도를 요구하는 ‘DFSZ 액시온’을 탐색을 목표로 한다.

액시온 검출 확률이 자기장이 클수록 높아진다는 점에 착안, 연구진은 지구자기장의 24만 배에 이르는 12T(테슬라)의 자석을 구현했다. 신호 검출을 방해하는 배경 잡음을 최소화하기 위해 초저온 환경을 마련하고, 양자역학 원리에 기반한 첨단 판독 전자장치를 사용해 탐색 속도를 대폭 높였다.

이렇게 구축한 장비로 연구진은 액시온 질량이 4.24~4.91µeV(마이크로전자볼트, 주파수로 1.025~1.185GHz)에 해당하는 주파수 범위를 세계 최고 감도로 탐색했다. 지난 연구에서 질량 4.55µeV 영역의 좁은 범위를 빠른 시간에 고감도 탐색이 가능함을 입증하며 ‘화려한 데뷔’를 알린 데 이어(‘23, PRL), 이번 연구에서는 더 넓은 영역을 탐색하며, 독자 개발한 장비가 액시온이 존재할 것으로 추정되는 방대한 영역을 모두 탐구할 훌륭한 탐색 전략이 될 수 있음을 증명한 셈이다. 연구 결과는 지난 8월 12일 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 X(Physical Review X, PRX)’에 게재됐다.

PRX 연구의 공동교신저자인 정우현 연구위원은 “약 1GHz의 주파수 영역에서 초당 약 100건의 DFSZ 액시온-광자 변환이 발생하는데, 이때 발생하는 불필요한 배경 잡음은 초당 약 4,000개에 달한다”며 “실험의 난이도로 인해 DFSZ 액시온을 탐색할 수 있는 연구팀은 전 세계적으로 두 곳뿐이었고, 이 중 1GHz 이상의 주파수에서 고감도로 액시온 탐색에 성공한 건 현재까지 IBS 연구진이 유일하다”고 설명했다.

한편, 액시온 및 극한상호작용 연구단의 고주파수 팀은 기존 액시온 실험이 저주파 신호 탐색에 주목하던 것과 달리 더 높은 주파수에 주목한다. KSVZ 이론에 근거해 액시온의 질량을 예측한 최근 연구들이 20~30µeV(주파수로 4.8~7.25GHz)의 고주파수 영역을 가리키기 때문이다.

고주파 신호를 탐색하려면 주파수 신호를 증폭하는 공진기의 부피를 줄여야 한다. 하지만 부피가 줄면 액시온이 광자로 변하는 확률도 감소해 같은 양의 데이터를 얻는 데 시간이 오래 걸린다. 이에 연구진은 원통형 공진기를 피자 조각을 자르듯 여러 개의 방으로 나눈 ‘피자 공진기(다중방 공진기)’를 고안했다. 주어진 부피를 최대한 이용하면서 목표로 하는 고주파수를 얻기 위한 전략이다.

이번 연구에서 연구진은 12T의 고자기장 환경에서 방이 3개인 삼중방 피자 공진기로 액시온 검출 실험을 진행했다. 여기에 첨단 냉각기와 양자 증폭기를 도입해 실험 민감도를 높였다. 실험 결과, 액시온이 질량 22µeV 영역에서 존재할 가능성을 90% 신뢰 수준으로 배제했다. 해당 질량 범위에서 최고 수준으로 민감한 결과이다. 연구 결과는 7월 31일 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters, PRL)’에 게재됐다.

PRL 연구의 교신저자인 윤성우 연구위원은 “액시온 암흑물질 탐색은 건초더미에서 바늘을 찾는 일과 비슷하다”며 “위치를 대략 안다면 바늘을 더 빨리 찾을 수 있는 것처럼, 이번 연구는 이론적 예측을 기반으로 실험을 설계하는 것의 중요성을 보여주며, 차세대 액시온 탐색 실험의 방향성을 제시한다”고 말했다.

그림 설명

[그림1] 액시온 암흑물질 사냥 범위 좁혔다
PRX 연구에서 설정한 액시온-광자 결합의 배제 한계는 액시온이 지역 암흑 물질 밀도의 100%를 차지한다고 가정하고, 밀도를 0.45GeV/㎤로 설정한 상태에서 약 90% 신뢰 수준을 가진다. 노란색 띠는 KSVZ와 DFSZ의 이론적 모델이 예측한 영역을 나타낸다. 확대된 버전은 4.2~5.0μeV 사이의 질량 범위에서 삽입 그림으로 표시되어 있다.

[그림 2] PRL 연구에 사용된 실험 장비
복잡한 신호선들로 구성된 냉각장치(중앙) 하단에 공진기가 설치되어 있다. 이 공진기는 12T 초전도 자석(우축하단) 안에 삽입된다.

[그림 3] 이번 연구에 사용된 피자 공진기
이번 연구에 사용된 3셀 공진기 안의 시뮬레이션된 전기장 분포. 각각의 셀은 하나의 작은 공진기 역할을 하며, 주어진 부피를 최대한 이용하면서 공진 주파수를 늘릴 수 있다.

1) 액시온의 이론적 모델에는 대표적으로 ‘DFSZ(Dine –Fischler-Srednicki-Zhitnitskii) 액시온’과 김진의 서울대 명예교수가 제안해서 우리에게도 잘 알려진 ‘KSVZ(Kim-Shifman-Vainshtein-Zakharov) 액시온’이 있다.