문학에는 존재하는지도 모를 전설의 보물이나 인물을 찾아 모험을 떠나는 이야기가 많다. 만화 <원피스> 주인공 루피는 정체를 알 수 없는 보물 원피스를 찾아 모험을 떠난다. 영화 <모아나>에서 모아나는 전설 속 바다의 신, 마우이를 찾아 바다로 나간다. 입자물리학계에도 모아나와 루피처럼 존재가 불분명한 보물을 찾는 모험가들이 있다. 암흑물질 후보 ‘액시온’을 찾는 연구자들도 그 중 하나다. 액시온 탐색 실험을 수행하는 액시온 및 극한상호작용 연구단에서 이수형 연구위원을 만났다.

액시온은 현재 우주에서 설명되지 않는 부분을 해결하기 위해 과학자들이 추측한 입자다.

“우리 우주가 처음 생성되었을 때 물질과 반물질이 동등한 양으로 생성 됐으리라고 기대되는데, 현재 우주에는 물질만 남았습니다. 반물질이 다 어디로 갔는지, 물질과 반물질 사이에 왜 비대칭이 있는지 설명하는 것이 ‘CP대칭성 깨짐’ 입니다.”

물리 현상은 전하가 바뀌거나(charge) 거울에 비친(parity) 세계에도 똑같이 적용된다. 이를 각각 C대칭, P 대칭이라고 부른다. CP대칭성 깨짐은 이 둘을 동시에 생각하는 CP대칭이 위반된다는 뜻이다. 이 현상은 약한 상호작용에서는 설명되었지만, 강한 상호작용에서는 실험적으로 매우 작거나 없는 것으로 확인됐다. 이를 강한 CP 문제라고 하며, 이를 설명하는 가장 유력한 이론이 페차이-퀸 이론이다.

“페차이-퀸 이론이 맞다면 액시온이라는 입자가 존재해야 합니다. 또 액시온의 특성은 암흑물질과일치하는 부분이 많아 암흑물질의 후보이기도 합니다. 강한 CP문제와 암흑물질 이 두 가지가 현대물리학의 가장 큰 난제인데, 이 두 가지 문제를 한 번에 해결할 수 있는 입자인 셈이죠.” 이 입자는 풀리지 않은 지저분한 문제들을 싹 없애준다는 뜻에서 미국의 유명 세제 브랜드 이름이 붙었다. 연구자들이 찾는 보물의 정체다.

이 값진 보물은 근 10년 간 전 세계에서 더욱 주목 받고 있다. ‘신의 입자’로 불리는 힉스 입자의 생성 원리가 액시온과 비슷한데, 힉스 입자가 2012년 발견됐기 때문이다. 때문에 사람들은 액시온의 존재를 더 유력하게 생각하고 있다. 액시온을 찾는 연구자들은 액시온이 존재할 수 있는 신호 영역을 감지함으로써 액시온을 탐색한다. 액시온이 어떤 질량을 갖는지 모르기 때문에, 라디오 다이얼을 돌리듯 주파수를 조절하면서 액시온 신호를 탐색한다. 그러나 신호가 작아질수록 실험 감도가 높아져야 하기 때문에, 더욱 많은 시간이 걸린다.

▲ 액시온 탐색 실험 현황. 밝은 하늘색 QCD 액시온밴드는 액시온이 존재할 수 있는 이론적인 영역을 나타낸다. 가로축은 질량(신호 주파수), 세로축은 결합상수(신호 세기)를 나타낸다. 가장 왼쪽 녹색 영역이 ADMX 실험에 의해 탐색 됐으며, 연구단은 파란색 영역을 탐색했다.

이수형 연구위원은 작년 고병록 연구위원과 함께 주파수 1.60~1.65GHz에 해당하는 질량의 액시온 탐색을 이뤄냈다. 액시온이 이론적으로 존재 가능한 QCD 밴드에 도달했다.

“저희가 이번에 QCD 밴드에 근접한 결과를 낸 것은 상당히 고무적인 일입니다. 현재 액시온 실험을 가장 잘하고 있는 그룹이 미국 ADMX라는 실험인데, 지금까지 30년 정도를 했거든요. 저희가 굉장히 짧은 시간 안에 QCD 밴드에 도달했기 때문에, ADMX를 뛰어넘을 수 있는 첫 번째 가능성을 보여줬다는 점에서 큰 의미가 있지 않을까 싶습니다.

지금 탐색 속도라면 QCD 밴드를 모두 탐색하는 데에는 얼마나 걸릴까? 이수형 연구위원은 수십, 수백 년이 걸릴 수 있다고 말한다. 범위도 매우 넓을뿐더러 실험 감도를 올리는 데에 시간이 기하급수적으로 늘어난다는 설명이다. “이 실험 시간을 근본적으로 줄이기 위해, 방법적인 측면에서 연구를 하고 있습니다. 이러한 트릭이나 방법들이 실험에 적용되면 수십, 수백 년으로 예상하는 이런 판도를 완전히 바꿔버릴 수 있는 계기가 되지 않을까 생각합니다. 앞으로 기술이 점점 발전을 할 테니까요, 그런 부분을 고려하면 더 빨리 이뤄질 수도 있습니다.”

연구단은 최근 12 테슬라에 이르는 초전도 자석을 설치했다. 자기장이 클수록 신호가 강해져, 더 유리한 환경에서 액시온을 찾을 수 있기 때문이다. 큰 자기장에는 비용이 많이 들기 때문에 자기장만으로 문제를 해결하지는 못하지만, 연구진은 새 자석으로 액시온 탐색 실험 판도를 바꾸고자 연구를 진행하고 있다. “액시온 뿐만 아니라 어떤 새로운 입자를 찾는 실험에 큰 기여를 할 수 있는 연구자가 됐으면 하는 바람입니다. 당장은 액시온을 찾으면 가장 좋겠지만요.”

원피스를 찾는 해적들과 달리, 액시온 연구자들은 액시온을 누가 먼저 발견하는지 보다 액시온의 존재 유무와 액시온이 어떻게 생겼는지에 더 관심이 많다. 입자물리학의 보물이 어떻게 생겼는지, 액시온은 과연 존재할지, 액시온 시대를 열어가는 연구자들의 다음 소식이 기다려진다.

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IBS 커뮤니케이션팀
최지원