암흑물질의 후보로 거론되는 ‘액시온(Axion)’을 찾는 가장 정밀한 실험 설비가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 기초과학연구원 액시온 및 극한상호작용 연구단 은 미국 워싱턴대에 이어 세계에서 두 번째로 ‘대통일 이론’을 기반으로 하는 액시온 암흑물질 탐색 실험을 시작했다.

현대 물리학의 정수인 표준모형은 우주를 이루는 기본입자와 중력을 제외한 세 가지 힘¹⁾, 그리고 이들 사이의 상호작용을 가장 잘 설명하는 이론이다. 표준모형은 과학자들에 의해 실험적으로도 검증됐다. 하지만 표준모형이 설명할 수 있는 물질은 우주 전체에서 고작 5%에 불과하다. 우주의 26.8%를 차지할 것으로 추정되는 암흑물질의 존재는 표준모형으로 설명하지 못한다.

▲ 사진은 '총알 은하단'으로 눈에 보이는 물질 외에 암흑물질을 많이 포함하고 있는 것으로 추정된다. 이 천체를 X선으로 찍으면 가운데에 충돌한 은하가 모여 있지만(총알 모양), 중력만 따로 측정하면 좌우로 이미 지나간 모습(둥근 모양)으로 나온다. 이는 보이지 않는 ‘암흑물질’ 존재한다는 간접증거다. ©wikipedia

표준모형의 한계를 극복하기 위해 물리학자들은 여러 이론을 제시하고, 이를 실험적으로 검증하기 위한 노력을 펼치고 있다. 이 과정에서 등장한 이론이 ‘대통일 이론(GUT, Grand Unified Theory)²⁾’이다. 하지만 대통일 이론은 아직 실험적으로 검증되지 않았다. 지구에서 입자를 가장 높은 에너지로 가속시킬 수 있는 장치인 유럽입자물리연구소(CERN)의 대형강입자가속기(LHC) 조차 대통일이론을 검증하기에는 에너지가 턱 없이 부족하다.

대통일 이론 기반의 액시온 암흑물질을 발견한다면, 대통일 이론을 지지할 수 있는 증거를 찾는 셈이다. 대통일 이론을 기반으로 예측한 액시온을 ‘DFSZ(Dine -Fischler-Srednicki-Zhitnitskii) 액시온’이라 부른다.

액시온은 강한 자기장과 만나면 빛(광자)으로 변하는데, 이를 단서로 1989년부터 전 세계에서 액시온 탐색 실험을 진행해왔다. 하지만 DFSZ 액시온 탐색의 경우 실험의 난이도 때문에 미국 워싱턴대의 ‘ADMX(Axion Dark Matter eXperiment)’ 실험이 유일했다.

IBS 연구진은 실험 매개 변수들을 최첨단 수준으로 끌어 올리며 세계 두 번째로 DFSZ 액시온 탐색 실험을 착수했다. 액시온 검출 확률은 자기장이 클수록 높아진다. 연구진은 지구자기장의 30만 배에 이르는 12T(테슬라)의 자석을 설치했다. ADMX는 8T의 자석을 이용한다. 또한, 신호 검출을 방해하는 배경 잡음을 최소화하기 위해 절대온도 0도에 가까운 초저온 환경과 양자 기술을 접목하였다.

교신저자인 고병록 연구위원은 “이와 더불어 공진기에서 나오는 신호를 100%를 읽어낼 수 있는 처리 시스템을 개발하여 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.

이번 연구에는 2022년 3월 1일부터 18일까지 진행된 실험 결과가 실렸다. 연구진은 1.1GHz(기가헤르츠) 주변의 주파수 대역에는 액시온이 없음을 확인했다. 현재의 액시온 탐색은 액시온이 이론적으로 존재할 것으로 추정되는 주파수 대역을 조사하여, 신호가 잡히지 않는 지역을 하나씩 지워나가는 식으로 진행된다.

[그림 1] DFSZ 액시온 암흑물질 탐색 결과
파란색 선은 DFSZ 액시온 모델에서 예측하는 값과 IBS 액시온 및 극한상호작용 연구단이 얻은 값의 비율로 그 값이 1 이하면 해당 주파수 대역에서 액시온이 없다는 것을 의미한다. 삽입된 그림의 빨간색 부분은 미국 ADMX 연구팀이 2017년부터 지금까지 탐색하여 제외된 구간이며, 파란색 부분(This Work)은 이번 연구에서 탐색 및 액시온의 존재 가능성이 제외된 구간이다.

고 연구위원은 “액시온이 발견되고, 이것이 암흑물질로 밝혀진다면 인류는 5%를 넘어 32%의 우주를 이해할 수 있게 된다”고 말했다.

연구결과는 물리학 분야 권위지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’ 2월 16일 온라인 판에 실렸다.

[그림 2] CAPP-12TB 실험실 전경과 참여 연구진
CAPP-12TB 실험실에서 IBS 액시온 및 극한상호작용 연구단 연구진이 기념사진을 촬영하고 있다.

[그림 3] CAPP-12TB 실험실 전경
CAPP-12TB 실험실의 모습. 바닥 아래에 12T의 자석을 포함한 공진기 및 냉각장치가 있다.

1) 자연계에는 중력, 전자기력(전기를 띤 핵과 전자를 결합해 원자를 구성하는 힘), 강력(핵 속 양성자와 중성자를 이루는 힘), 약력(핵의 붕괴와 융합에 관여하는 힘) 등 총 네 가지의 힘이 존재하는 것으로 알려져 있다.

2) 과학자들은 원래 힘은 하나였는데, 빅뱅 때 네 가지로 분리되었을 것으로 추측한다. 표준모형은 약력과 전자기력을 하나의 힘으로 설명하는 데 성공했고, 이는 실험적으로 증명됐다. 여기에 강력까지 합치는 것을 ‘대통일 이론(GUT)’이라 한다. 중력까지 합쳐서 모든 힘이 통일을 이룬 경우가 ‘모든 것의 이론(ToE)’이다.