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[IT뉴스]韓 연구팀, 암흑물질 유력후보 '액시온' 세계 최고 수준 탐색

온카뱅크관리자

2025-11-19 10:47:34

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 <img alt="암흑물질을 탐색하는 장비인 다중 셀 공진기. 주파수 튜닝 구조가 포함됐다. IBS 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202511/19/dongascience/20251119103951603fgpn.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="UctwhCkLM7" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202511/19/dongascience/20251119103951603fgpn.jpg" width="658">
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 암흑물질을 탐색하는 장비인 다중 셀 공진기. 주파수 튜닝 구조가 포함됐다. IBS 제공
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 국내 연구팀이 유력한 암흑물질 후보로 지목되는 '액시온(axion)' 탐색 기술을 고도화했다. 독자 개발한 장비를 활용해 세계 최고 수준의 탐색 감도를 구현하고 탐색 범위도 확장했다.
 기초과학연구원(IBS)은 윤성우 암흑물질 액시온 그룹장(CI, Chief Investigator) 연구팀이 독자 개발한 다중 셀(multi-cell) 공진기와 초전도 신호 증폭 기술을 결합해 이같은 성과를 냈다고 19일 밝혔다. 연구결과는 17일(현지시간) 국제학술지 '피지컬 리뷰 레터스(PRL)'에 공개됐다.
 액시온은 현대 물리학이 아직 증명하지 못한 난제인 암흑물질의 존재와 우주의 비대칭성을 동시에 설명할 것으로 기대를 모으는 개념이다. 
 빅뱅 이후 138억년이 흐른 지금 왜 반물질은 거의 다 사라지고 물질만 남았는지 명확히 설명하기 위해 과학자들은 이처럼 우주의 대칭성이 깨진 상황을 'CP 문제'라고 부르며 이를 설명하기 위한 개념 중 하나로 1978년 액시온을 처음 제시했다. 
 암흑물질은 우주의 물질 약 85%를 차지하는 것으로 알려졌지만 빛이나 다른 물질과 거의 상호작용하지 않아 직접 관측이 매우 어렵다. 암흑물질의 조건은 빛을 흡수하거나 방출하지 않고, 일반적인 물질과 상호작용하지 않는다는 것이다. 질량이 존재해 중력이 작용하며 우주 어디에서나 발견돼야 한다.
 액시온은 극도로 가볍고 전기적으로 중성이며 다른 물질과 거의 상호작용하지 않아 암흑물질의 조건에 부합한다. 액시온이 우주 초기에 생성돼 현재까지 남아있을 수 있다는 이론적 가능성이 제시되면서 암흑물질의 유력한 후보로 꼽힌다.
 액시온의 존재가 확인되면 우주의 기원과 작동 원리를 설명하는 결정적인 퍼즐 조각이 될 것으로 기대된다.
 액시온을 검출하려면 매우 강한 자기장과 극저온 환경에서 특정 주파수의 전자기파를 증폭하는 공진기로 미약한 신호를 포착해야 한다. 마치 라디오 다이얼을 돌리면서 소리가 들리지 않는 주파수 범위를 제외해 가며 알맞은 주파수를 찾는 과정과 비슷하다. 잡음을 억제하고 장치를 안정적으로 유지하는 것이 중요하다.
 검출 주파수를 높이려면 공진기 크기를 줄여야 하는데 신호를 포착할 부피도 줄어 감도가 떨어지는 문제가 있다. 고주파 영역의 액시온 탐색이 기술적 난제인 이유다.
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 <img alt="IBS 연구진이 자체 개발한 다중 셀 공진기의 구조와 시뮬레이션된 전기장 분포. IBS 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202511/19/dongascience/20251119103952893wwgz.png" data-org-width="680" dmcf-mid="uqtGFtyOLu" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202511/19/dongascience/20251119103952893wwgz.png" width="658">
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 IBS 연구진이 자체 개발한 다중 셀 공진기의 구조와 시뮬레이션된 전기장 분포. IBS 제공
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 연구팀은 공진기 내부를 8개의 공간으로 나눈 8셀 구조 공진기를 자체 설계·제작했다. 공진기 크기를 줄이지 않고도 더 높은 주파수에서 공진이 일어나도록 해 신호 감도를 유지하는 원리다.
 자체 개발 공진기와 일본 이화학연구소(RIKEN)-도쿄대 공동연구팀에게 제공받은 양자 증폭기(JPA)를 결합해 신호를 증폭하자 기존 공진기보다 약 3배 높은 주파수 영역에서도 안정적으로 액시온 탐색 성능이 확보됐다.
 연구팀은 개선된 장비로 8테슬라(T, 자기장의 단위)의 강한 자기장과 섭씨로 영하 273.11도인 40밀리캘빈(mK, 절대온도의 단위)의 극저온 환경에서 안정적으로 5.9기가헤르츠(GHz, 주파수의 단위)의 고주파 대역을 정밀 탐색하는 데 성공하고 해당 영역에서 액시온의 신호가 나오지 않는다는 사실을 확인했다.
 유사한 주파수 대역을 탐색한 미국 연구팀 대비 2배 개선된 탐색 민감도를 달성해 세계 최고 수준의 탐색 성능을 입증했다. 액시온 특성을 설명하는 대표적인 이론 중 하나인 'KSVZ 모델'이 예측하는 액시온 신호를 직접 탐색할 수 있는 수준의 탐색 감도를 달성했다는 평가다.
 안새벽 IBS 박사후연구원은 "KSVZ 모델의 예측 수준까지 감도를 끌어올렸음에도 신호가 관측되지 않았다는 것은 이번 실험이 탐색한 영역이 이론적으로 제시된 액시온 존재 가능 구간에서 완전히 배제됐음을 의미한다"고 설명했다.
 윤 CI는 "다중 셀 공진기를 활용해 고주파 영역에서도 안정적이고 높은 감도의 탐색이 가능함을 실험적으로 입증한 결과"라며 "향후 탐색 범위를 본격적으로 확장할 기술 기반을 마련했다"고 말했다. 이어 "국제 협력 연구를 지속적으로 강화해 액시온 탐색 영역을 확장해 나갈 것"이라고 밝혔다.
 &lt;참고 자료&gt; - doi.org/10.1103/fzzl-2dyr
 [이병구 기자 2bottle9@donga.com]
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