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[IT뉴스]암흑물질 '액시온' 가짜 신호 걸러내 탐색 영역 좁혔다

온카뱅크관리자

2026-07-13 11:57:30

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 우주의 비밀을 밝히기 위한 암흑물질인 '액시온' 탐색 연구가 한층 정밀해졌다. 국내 연구팀이 엑시온이 존재할 수 있는 후보 영역을 기존보다 좁히는 데 성공했다. 
 기초과학연구원(IBS)은 윤성우 암흑물질 액시온 그룹장(CI) 연구팀이 액시온 후보 신호를 독립적인 실험 장치와 고감도 재탐색을 통해 정밀 검증하고 세계 최고 수준의 탐색 민감도를 달성했다고 13일 밝혔다. 
  액시온은 현대 물리학의 오랜 난제인 'CP 대칭성 문제'를 설명하기 위해 제안된 가설 입자다. CP 대칭성 문제는 강한 상호작용 이론상 물질과 반물질의 대칭이 깨져야 하지만 실제 실험에서는 그런 현상이 관찰되지 않아 설명이 필요한 물리학 난제다.
 매우 가볍고 전기적으로 중성이며 일반 물질과 거의 상호작용하지 않는 특성을 지닌 액시온은 우주 질량의 약 85%를 차지하는 암흑물질의 유력한 후보다. 액시온이 실제 존재한다면 강한 자기장 안에서 매우 미약한 마이크로파 신호로 나타날 수 있다. 
 액시온 검출을 위해서는 강한 자기장과 극저온 환경에서 공진기(금속으로 만든 울림통 장치)를 이용해 극도로 미약한 전자기 신호를 포착해야 한다. 잡음을 억제하고 공진기 장치를 안정적으로 운용하는 고감도 실험 기술이 요구된다. 
 다만 실험 과정에서 발견된 새 입자가 곧 액시온 입자 발견을 의미하는 것은 아니다. 장비 특성, 데이터 변동, 외부 환경 요인 등에 의해 액시온 신호와 유사한 현상이 나타날 수 있다. 따라서 액시온 후보 신호를 독립적으로 검증하고 동일한 조건에서 재현되는지 확인하는 과정이 필요하다. 
 연구팀은 고감도 액시온 탐색 기술을 바탕으로 기존 탐색에서 일부 측정 정보가 누락돼 분석을 보류했던 1.033~1.037 GHz(기가헤르츠) 구간을 다시 분석했다. 
 인접 주파수 영역의 누락 정보를 보완하고 기존에 제외됐던 구간을 정밀하게 재분석한 결과 1.036GHz 부근에서 액시온 후보 신호가 확인됐다. 액시온 신호는 이론적으로 단일 주파수가 아니라 매우 좁은 폭을 가진 스펙트럼 형태로 나타날 것으로 예측된다. 이번에 확인된 후보 신호는 스펙트럼 형태와 공진기 응답 특성이 액시온 신호에서 예상되는 특징과 일치했다. 
 연구팀은 액시온 후보 신호의 진위를 확인하기 위해 후속 검증을 추진했다. 기존 실험 장치와 다른 별개의 독립 장치로 같은 주파수 대역을 다시 측정했고 후보 신호가 처음 관측된 12TB(테라바이트) 액시온 탐색 장치에서 재측정을 수행했다. 
 수개월에 걸친 검증 결과, 두 장치의 반복 측정에서 액시온 후보 신호는 재현되지 않았다. 연구팀은 1.036GHz 부근에서 확인한 신호가 실제 액시온 신호가 아닌 일시적으로 나타난 신호라고 결론 내렸다.
 연구팀은 후보 신호 주변인 1.026~1.045 GHz 대역을 더 높은 민감도로 재탐색했다. 그 결과 해당 주파수 범위에서도 액시온 신호는 관측되지 않았다. 
 이번 연구는 액시온이 존재할 수 있는 후보 영역을 기존보다 정밀하게 좁혔다는 점에 의미가 있다. 일부 주파수 구간은 액시온 신호의 세기를 예측하는 대표 이론인 ‘DFSZ 모델’에 근접하는 탐색 민감도를 보여 미약한 액시온 신호에 접근 가능한 수준의 측정 정밀도를 보였다. 
  제1저자인 안새벽 박사후연구원은 “처음 액시온 후보 신호를 확인했을 때 신호의 세기와 스펙트럼 형태가 액시온 신호에서 예상되는 특성과 매우 유사해 큰 기대감을 갖고 검증에 착수했다”며 “이번 연구를 통해 강력한 후보 신호가 나타났을 때 독립 장치와 원래 실험 장치를 활용한 단계적 검증이 얼마나 중요한지 확인할 수 있었다”고 말했다. 
 윤 그룹장은 “이번 연구는 단순히 액시온 후보 신호를 배제한 데 그치지 않고 실제 암흑물질 발견 가능 신호를 어떻게 검증해야 하는지를 보여준 사례”며 “IBS 암흑물질 액시온 그룹이 고감도 액시온 탐색 능력뿐 아니라 후보 신호의 진위를 독립적으로 확인할 수 있는 세계적 수준의 검증 역량을 갖추고 있음을 보였다”고 전했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’에 지난 11일 게재됐다.
 &lt;참고 자료&gt;  doi.org/10.1103/2sn2-h97m
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 <img alt="왼쪽부터 윤성우 기초과학연구원(IBS) 암흑물질 액시온 그룹장(CI)과 안새벽 박사후연구원. IBS 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202607/13/dongascience/20260713115349702scoi.png" data-org-width="680" dmcf-mid="FQAwVgnQLx" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202607/13/dongascience/20260713115349702scoi.png" width="658">
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 왼쪽부터 윤성우 기초과학연구원(IBS) 암흑물질 액시온 그룹장(CI)과 안새벽 박사후연구원. IBS 제공
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 [문세영 기자 moon09@donga.com]
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