암흑물질 탐지시간 4분의 1로 줄인다

방의 개수에 따른 여러 가지 다중방 공진기에서 전자기파 신호가 각방에 어떻게 분포될지 보여주는 시뮬레이션. 전자기장이 강하면 붉은색, 약하면 파란색으로 표시했다. IBS 제공

국내 연구팀이 암흑물질로 추정되는 액시온의 검출 시간을 종전보다 4분의 1로 줄일 수 있는 새로운 방법을 알아냈다.

기초과학연구원(IBS) 액시온 및 극한상호작용 연구단은 암흑물질 후보인 ‘액시온’의 고주파수 신호를 효율적으로 검출하는 다중방 공진기를 개발했다고 15일 밝혔다.

액시온은 우주에 존재하는 물질의 근원을 밝히기 위해 이론적으로 고안한 물질이다. 과학자들이 1983년 액시온이 암흑물질일 가능성이 있다고 주장한 이후 줄곧 암흑물질의 강력한 후보로 거론됐다. 암흑물질은 우주의 약 4분의 1을 차지하고 있을 것으로 알려졌지만 아직 관측되지 않은 물질이다.
  
액시온은 자기장을 만나면 주파수가 높은 전자기파를 방출한다. 액시온의 존재를 확인하려면 공진기 안에서 액시온과 같은 주파수의 신호를 만들어 파동이 증폭되는지 확인하면 된다. 그러나 전자기파의 주파수를 결정하는 액시온의 질량을 이론적으로 알 수 없어 모든 주파수의 신호를 만들어 볼 수 밖에 없었다.

공진기로 주파수가 높은 신호를 만들려면 공진기 부피가 작아야 한다. 부피가 작으면 액시온이 전자기파를 방출하는 확률도 감소하기 때문에 신호를 탐색하는 시간이 길어진다.

연구팀은 원통형 공진기를 피자처럼 여러 개의 방으로 나눠 주파수가 높은 신호를 만들어낼 수 있고 부피는 줄이지 않는 ‘다중방 공진기’를 떠올렸다. 각 방은 부피가 줄어 높은 주파수의 신호를 만들 수 있으면서 전체의 부피는 줄어들지 않는 원리다. 연구팀은 공진기 가운데 작은 공간을 만들고 안테나를 설치해 여러 방에서 나온 액시온의 신호를 한 번에 읽을 수 있도록 했다.

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제작공정에서 아주 미세한 오차라도 발생하면 공진기 안의 전자기파가 가장 넓은 방으로 쏠려 실제 검출되는 신호가 줄어들 수 있다. 연구팀은 2년 동안 방대한 시뮬레이션과 시제품 테스트를 거쳐 공진기의 디자인을 최적화하고 오차를 줄였다 

연구팀이 방이 2개인 이중방 공진기를 만들어 액시온 검출 실험을 진행한 결과 기존 공진기 보다 4~5배 높은 주파수의 전자기파를 탐색할 수 있었다. 기존에는 3개월 정도 걸리던 탐색 시간이 4분의 1인 3주로 줄었다. 

윤성우 IBS 연구위원은 “공진기의 디자인을 바꾸는 것만으로 실험 효율을 크게 높였다는데 의의가 있다”며 “기존 실험이 어떤 성과를 내는 데 4년이 걸린다면 이제 1년이면 충분하다”라고 말했다. 이 연구 결과는 국제학술지 ‘피지컬리뷰레터스’ 온라인판 11월 25일자에 실렸다.