마을에서 조금 떨어진 강 밑에 보물이 있다는 소문이 돌았다. 사람들은 보물을 찾으려고 강으로 뛰어갔다. 사람들은 한 방향으로만 움직일 수 있었고, 강 쪽으로 갈수록 점점 느려졌다. 몇몇은 포기했고, 한 사람은 20여 년 전 강에 도착했으며, 또 다른 사람은 3년 전 강에 도착했다. 전래동화처럼 들리는 이 이야기는, 현대물리학의 난제를 풀어낼 액시온과 이를 찾는 과학자들 이야기다.

액시온은 강한 자기장과 만나 빛(광자)으로 변하는데, 이를 단서로 1989년부터 전 세계에서 액시온을 찾아 실험을 진행해 왔다. 과학자들은 ‘액시온이 존재할 수 있는 질량 범위’와 ‘광자로 변환됐을 때 신호 크기 범위’를 이론적으로 추정하고 이를 ‘QCD(양자색소역학) 액시온밴드’라고 이름지었다. 액시온이 묻혀있는 강인 셈이다.

▲ x축은 액시온 질량, y축은 액시온이 광자로 변환되는 결합 상수(광자 신호 세기)를 나타낸다. 하늘색 ‘QCD 액시온 밴드’는 액시온이 존재할 수 있는 범위다. 연구팀들은 검출기를 개발해 점점 작은 신호를 감지할 수 있게 되었다. 각 색깔 영역은 현재까지 진행된 전 세계 실험들의 탐색 범위를 나타낸다.

QCD 액시온밴드에 해당하는 신호 크기는 형광등보다 1억경(10²⁴) 배나 작은 수준으로, 검출에 고도의 기술이 필요하다. 검출 대상 신호가 작아질수록 점점 어렵고 시간이 많이 걸리며, 이렇게 QCD 액시온밴드에 도달하고 나면 비로소 액시온을 발견할 수 있는 가능성이 생긴다. 때문에 액시온을 발견하려면 각 질량에서 신호 세기를 낮춰가며 실험을 계속해야 한다.

그러나 QCD 액시온밴드 영역의 신호를 검출할 만한 기술을 갖춘 실험그룹은 전 세계 8곳 중 미국 워싱턴대와 예일대 2곳뿐이다. 워싱턴대는 액시온 질량이 1.9 ~ 3.53μeV(마이크로일렉트론볼트)인 경우, 예일대는 액시온 질량이 23.15 ~ 24μeV인 경우의 신호를 탐색하고 있다. 기초과학연구원(IBS) 액시온 및 극한상호작용 연구단 야니스 세메르치디스 단장이 이끄는 연구진은 6.62 ~6.82 μeV 질량 범위에서 액시온을 탐색해, 해당 질량에서는 최초로 검출 범위가 QCD 액시온 밴드 영역에 도달했다.

연구진은 작은 신호 검출을 위해 강한 자기장 하에서 잡음을 최소화한 실험장치를 구축했다. 연구진은 지구 자기장보다 16만 배 강한 8테슬라 자기장을 내는 원통형 초전도 자석을 마련하고, 자석 중심에 안테나가 삽입된 금속 원통을 넣었다. 액시온은 자기장과 만나 광자(전자기파)로 변하는데, 발생한 광자가 원통의 공진주파수와 일치하면 안테나로 이 신호를 읽을 수 있다. 따라서 원통 크기에 따라 탐색할 수 있는 질량값이 정해져 있다.

각 과정은 증폭과 열로 발생하는 잡음을 줄이고 초전도를 유지하기 위해 영하 273℃ 냉동기 안에서 진행됐다. 연구진은 2년에 걸쳐 각 과정에서 잡음을 극도로 줄이고 테스트를 거친 뒤 3달 동안 데이터를 수집해 결과를 얻었다.

▲ 극저온 냉동기 내부에 설치된 실험 장치. 가장 아래 금속 원통이 실험의 공진기로 사용되며, 원통 내부에 안테나가 설치되어 발생한 광자의 신호를 읽는다.

우리가 사는 우주가 물질로 이루어진 까닭은, 태초에 빅뱅이 물질을 반물질보다 훨씬 많이 만들었기 때문이다. 반물질과 물질이 만나 소멸한 뒤 물질만 남았는데, 지구도 물질-반물질 간 비대칭 덕에 존재하는 셈이다. 물리학자들은 이러한 비대칭이 우리 세계와 ‘거울세계’의 물리법칙 차이 때문에 발생한다고 추측한다. 그러나 실험결과 원자핵을 묶는 힘에는 이 물리법칙 차이가 나타나지 않아 현대물리학의 수수께끼로 남았다. 액시온은 이 수수께끼를 풀기 위해 물리학자들이 고안한 입자로, 물질-반물질 간 비대칭을 설명해 줄뿐 아니라 우주를 채우는 미지의 물질인 암흑물질일 가능성도 있다. 현대물리학의 두 가지 난제를 풀 해답인 셈이다.

제 1저자인 이수형 연구기술위원은 “워싱턴대 연구팀이 30년 전, 예일대 팀이 10년 전 출범한 데 비해, 이번 프로젝트 CAPP-8TB는 2017년도에 시작했으나 빠르게 실험 수준을 따라잡았다”며 “지금보다 두 배 넓은 질량 범위를 6개월 이내에 탐색할 예정”이라고 말했다. 또 검출기를 향상시켜 작은 신호영역을 더 빠르게 탐색하겠다고도 밝혔다.

▲ 실험 참여 연구진과 극저온 냉동기

이번 연구결과는 미국 물리학회 학술지 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 3월 14일 온라인 게재됐다.

IBS 커뮤니케이션팀
최지원