우주의 비밀을 밝히기 위한 암흑물질 ‘액시온’ 탐색 연구가 한 단계 큰 진전을 이뤘다. 기초과학연구원(IBS) 암흑물질 액시온 그룹 윤성우 CI 연구팀은 독자 개발한 다중 셀(multi-cell) 공진기와 극도로 미세한 신호도 잡아내는 초전도 신호 증폭 기술을 결합해, 고주파수 영역으로 액시온 탐색 범위를 확장하고 세계 최고 수준의 탐색 감도를 구현하는 데 성공했다.

액시온(axion)은 물리학 이론에서 가능한 물질과 반(反)물질의 비대칭 현상이 실제 실험에서는 나타나지 않는 이유, 즉 ‘CP 대칭성 문제¹⁾’를 설명하기 위해 제안된 가설 입자다. 이 입자는 극도로 가볍고 전기적으로 중성이며, 다른 물질과 거의 상호작용하지 않는 특성을 지닌다. 이러한 특성은 우주에 존재하는 물질의 약 85%를 차지하지만 정체가 밝혀지지 않은 ‘암흑물질(dark matter)’의 성질과 일치한다. 또한 액시온이 우주 초기 생성돼 현재까지 잔존할 수 있다는 이론적 가능성이 제시되면서 암흑물질의 유력 후보로 꼽히고 있다.

액시온이 실제 존재한다면, 이는 물리학적 이론으로 풀이된 우주의 기원과 작동원리를 완성하는 결정적 퍼즐 조각이 될 수 있다. 그러나 액시온을 검출하기 위해서는 강한 자기장과 극저온 환경에서 공진기²⁾를 이용해 극도로 미약한 전자기 신호를 포착해야 하며, 이를 위해 잡음 억제와 장치의 안정적 운용이 필수적이다. 특히 검출 주파수를 높이기 위해서는 공진기 내부의 크기를 줄여야 하는데, 이 경우 신호를 포착할 수 있는 부피도 줄어 실험 감도가 떨어지게 된다. 이 때문에 고주파 영역 탐색은 세계적으로도 여전히 기술적 난제로 남아 있다.

IBS 연구진은 이러한 한계를 해결하기 위해 내부를 여덟 개의 동일한 셀(Cell)으로 나눈 8셀 구조의 공진기를 독자적으로 설계·제작했다. 이 새로운 구조는 공진기의 크기를 줄이지 않고도 더 높은 주파수에서 공진이 일어나도록 구현해 신호 감도를 유지할 수 있었다. 또한 일본 이화학연구소(RIKEN)-도쿄대 공동연구팀에게 제공받은 양자 증폭기(JPA)를 결합해 잡음을 최소화한 상태에서 극도로 미약한 신호를 증폭함으로써, 기존 단일 원통형 공진기보다 약 3배 높은 주파수 영역에서도 안정적인 탐색 성능을 확보했다.

연구진은 새로 개발한 공진기를 8테슬라(T)의 강한 자기장과 약 40밀리켈빈(mK, -273.11℃)의 극저온 환경에서 안정적으로 구동하며, 약 5.9기가헤르츠(GHz)의 고주파 대역을 정밀 탐색했다. 공진 주파수를 세밀하게 조정하며 데이터를 누적해 분석한 결과, 탐색 대역에서 액시온 존재 신호는 관측되지 않았다. 그러나 미국 HAYSTAC 등 유사 주파수 대역을 탐색한 해외 선도 연구 대비 약 2배 개선된 민감도를 달성하며, 세계 최고 수준의 탐색 성능을 확보하는 데 성공했다.

특히, 액시온 특성을 설명하는 대표 이론인 ‘KSVZ 모델’이 예측하는 액시온의 신호를 직접 탐색할 수 있는 수준의 탐색 감도를 달성해 실제 액시온 탐색 가능성을 한 단계 더 끌어올렸다. 안새벽 박사후연구원은 “KSVZ 모델은 액시온이 존재한다면 특정 주파수(질량) 범위에서 어느 정도 세기의 신호가 나타날지를 예측한다”라며, “예측 수준까지 감도를 끌어올렸음에도 신호가 관측되지 않았다는 것은, 이번 실험이 탐색한 영역이 이론적으로 제시된 액시온 존재 가능 구간에서 완전히 배제됐음을 의미한다”라고 설명했다.

윤성우 CI는 “이번 성과는 다중 셀 공진기를 활용해 고주파 영역에서도 안정적이고 높은 감도의 탐색이 가능함을 실험적으로 입증한 결과로, 향후 탐색 범위를 본격적으로 확장할 기술 기반을 마련했다는 점에서 의미가 크다”라며, “최적화를 통해 탐색 민감도를 높이고, 국제 협력 연구를 지속적으로 강화해 액시온 탐색 영역을 확장해 나갈 것”이라고 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Reivew Letters)’에 11월 17일 게재됐다.

그림 설명

[그림 1] 다중 셀 공진기의 구조와 시뮬레이션된 전기장 분포
(좌) IBS 연구진이 새롭게 설계한 8중 셀(8-cell) 마이크로파 공진기의 단면 구조. 하나의 원통형 공진기 내부를 여덟 개의 동일한 셀(cell)으로 나누었으며, 중앙 결합부를 통해 하나의 공진 모드로 작동한다. 각 방을 구분하는 칸막이(partition)가 배치되어 있고, 주파수 조정을 위한 압전식 구동장치(piezo actuator)와 튜닝 막대(rod)를 이용해 공진 주파수를 정밀하게 조절한다.
(우) 시뮬레이션으로 계산한 전기장 분포. 여덟 개의 방이 서로 강하게 결합되어 균일한 전기장 분포를 형성하는 것이 확인된다. 이러한 구조 덕분에 부피 손실 없이 더 높은 공진 주파수를 구현할 수 있다.

[사진 1] 주파수 튜닝 구조를 포함한 다중 셀 공진기의 실물 사진
IBS 연구진이 제작한 다중 셀 공진기의 상단부 실물 사진. 압전식 구동장치(piezo actuator)가 내부 튜닝 막대의 위치를 제어해 주파수를 정밀하게 조정한다.

1) CP 대칭성 문제(Charge–Parity symmetry problem) : 물리학의 기본 법칙은 물질과 그 짝을 이루는 반(反)물질을 서로 바꿔도 동일하게 작동한다는 ‘대칭성’을 따른다. 하지만 강한 상호작용을 설명하는 이론에는 이 대칭을 깨뜨릴 수 있는 요소가 존재한다. 따라서 이론상으로는 약간의 비대칭이 나타나야 하지만, 실제 실험에서는 그런 현상이 전혀 관찰되지 않았다. 이 ‘깨져야 하는데 깨지지 않는’ 현상을 설명하기 위해 제안된 가설 입자가 바로 액시온이다.

2) 공진기(Resonant cavity) : 금속으로 만든 울림통 같은 장치로, 특정 주파수의 전자기파를 강하게 증폭한다. 액시온 탐색에서는 공진기를 이용해 원하는 주파수에서 신호를 크게 키운다.