기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 액시온 및 극한상호작용 연구단(단장 야니스 세메르치디스) 윤성우 연구위원 연구팀은 암흑물질 후보인 액시온의 고주파수 신호를 효율적으로 검출하는 다중방 공진기¹⁾를 개발했다. 지금까지 기술적인 한계로 저주파 신호 탐색에 머물러 있던 액시온 실험에 새로운 가능성을 연 것으로 평가된다.

액시온은 현대 물리학의 난제 해결을 위해 고안된 입자다. 우주에 존재하는 물질-반물질 비대칭 문제를 풀 실마리이자 암흑물질의 후보다. 액시온은 자기장을 만나면 마이크로파장의 전자기파로 변하는데, 이를 공명을 이용해 검출할 수 있다. 자기장이 흐르는 공진기 안에서 액시온 신호가 발생하면 고유주파수와 일치하는 파동이 증폭되는 원리다. 이 때 신호의 주파수를 결정하는 것은 액시온의 질량이다. 그러나 질량이 이론적으로 밝혀지지 않아 모든 주파수 영역대를 실험해 볼 수밖에 없다.

공진기는 부피가 작을수록 고유주파수가 높다. 따라서 고주파 신호를 탐색하려면 공진기 부피를 줄여야 한다. 그러나 부피가 줄면 액시온이 전자기파로 변하는 확률도 감소해, 같은 양의 데이터를 얻는 데 시간이 오래 걸린다. 이러한 이유로 ADMX²⁾도 25년 넘는 실험 과정에서 상대적으로 낮은 주파수 영역을 탐색해 왔다. 더 높은 주파수 영역 탐색을 위해 여러 개의 작은 공진기를 연동하려는 시도가 있었으나, 시스템이 복잡하고 신뢰도가 낮아 효과를 보지 못했다.

연구진은 원통형 공진기를 피자 모양으로 여러 개의 방으로 나누어, 고유주파수를 높이되 부피는 최대화한 다중방 공진기를 고안했다. 방 개수가 많아질수록 더 높은 고유주파수를 얻을 수 있다. 또한 가운데에 방들이 서로 연결되는 빈 공간을 만들어, 한 개의 안테나로 공진기 전체 신호를 읽을 수 있게 했다.

연구진은 2년 동안 방대한 시뮬레이션과 시제품 테스트를 통해 피자 공진기의 디자인을 최적화하고 가공 오차 문제를 해결했다. 제작공정에서 아주 미세한 오차라도 발생하면, 공진기 안의 전자기장이 가장 넓은 방으로 쏠려 실제 검출 부피가 줄어들 수 있다. 연구진은 방들 사이의 전자기장 상호작용을 공진기 가운데의 안테나로 읽어냈다. 또한 가운데 공간 크기를 조절해 가공 오차의 영향을 최소화할 수 있었다. 연구진은 피자 공진기의 문제들을 해결한다는 의미에서 이 가운데 공간을 ‘피자 세이버(피자를 고정하는 플라스틱 핀)’라고 이름 붙였다.

연구진은 새로운 디자인을 실제 실험에 적용해, 9 테슬라 초전도 자석과 방이 2개인 이중방 피자 공진기로 액시온 검출 실험을 진행했다. 그 결과 ADMX 탐색 영역보다 4~5배 높은 주파수 영역대를 3주 만에 검색할 수 있었다. 이는 기존 공진기로 3개월이 걸릴 실험을 1/4로 단축한 것이다.

윤성우 연구위원은 “공진기 모양 자체를 바꾸는 시도는 드물었는데, 디자인 변경만으로 실험 효율을 크게 높였다는 의의가 있다”며 “기존 실험이 어떤 성과를 내는 데 4년이 걸린다고 하면 이제 1년이면 충분하다는 뜻”이라고 말했다. 이번 연구는 차세대 액시온 실험의 고주파 신호 검출 효율을 획기적으로 높일 것으로 기대된다.

연구 결과는 미국 물리학회 저널인 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters, IF 8.385)에 11월 25일 온라인 게재됐다.

그림설명

▲ [그림 1] 액시온 검출 장치 모식도극저온 냉동기 안에 초전도 자석을 넣고, 자석 중심에 공진기를 넣어 안테나를 설치한다. 공진기에서 발생한 액시온 신호를 안테나로 읽는다.

▲ [그림 2] 다중방 공진기와 성능 시험원통형 공진기를 피자처럼 나눈 새로운 공진기 디자인. 중심부 빈 공간(피자 세이버)에 안테나를 설치해 신호를 읽는다.

▲ [그림 3] 공진기 디자인 발전사공진기가 들어가는 초전도 자석 중심 공간을 회색 테두리로, 공진기를 자주색으로 표시했다. 고유주파수가 높아지려면 공진기 지름을 줄여야 했는데, 다중방 공진기는 검출 부피를 최대화 하면서 고유주파수를 높였다.

▲ [그림 4] 다중방 공진기 내부의 전자기장 분포 시뮬레이션방의 개수에 따른 여러 가지 다중방 공진기(이중방, 사중방, 팔중방)에서 전자기장 신호가 각방에 어떻게 분포될지 보여주는 시뮬레이션. 전자기장이 강하면 붉은색, 약하면 파란색으로 표시했다.