기초과학연구원, CERN과 공동으로 암흑물질 찾는다

'액시온' 검출 위해 공동연구

기초과학연구원(IBS)이 유럽입자연구소(CERN)와 함께 우주 생성의 비밀을 밝힐 ‘암흑물질'(Dark matter) 탐색에 나선다.

IBS 액시온 및 극한상호작용연구단은 20일 “암흑물질 ‘액시온’ 검출을 위해 CERN과 공동연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다.

야니스 세메르치디스 IBS 액시온 및 극한상호작용연구단 단장. ⓒ Cern

야니스 세메르치디스 IBS 액시온 및 극한상호작용연구단 단장. ⓒ Cern

우주는 눈에 보이는 5%의 입자와 나머지 밝혀지지 않은 27%의 암흑물질, 68%의 ‘암흑에너지(Dark Energy)로 돼 있다.

암흑물질은 빛과 상호작용하지 않기 때문에 눈에 보이지 않고 중력만으로 그 존재를 알 수 있다.

암흑물질의 유력한 후보물질로 ‘액시온'(Axion)과 ‘윔프'(WIMPs)가 제시되고 있는데, IBS 액시온 및 극한상호작용 연구단은 다양한 방식으로 액시온을 검출하기 위해 노력하고 있다.

액시온은 질량이 가벼워 매우 약하게 상호작용을 하기 때문에, 이를 찾아내기 위해서는 우선 강력한 자기장을 걸어 액시온 장의 일부를 전자기파를 방출할 수 있는 광자로 바꾸어야 한다.

이를 민감도가 높은 수신기로 검출해 내는 것이 액시온 검출 실험의 핵심이다.

CERN은 2000년부터 12개국 천체·입자물리학자 100여명이 참여하는 ‘CAST'(CERN Axion Solar Telescope) 국제 공동 프로젝트를 통해 쌍극자 자석을 이용, 태양으로부터 방출되는 액시온의 신호를 탐색하는 연구를 진행해오고 있다.

공동연구팀은 CAST와는 달리 우리 주변에 흩어져 있는 액시온을 검출하는 것을 목표로 하며, 이를 위해 공진기(금속으로 된 속이 빈 구조물)를 초전도 자석으로 둘러싼 뒤 공명 진도 수를 조절해 액시온을 광자로 바꾸는 실험을 진행할 예정이다.

실험 과정에서 엄청난 양의 열의 발생하기 때문에 열을 낮출 수 있는 극저온 환경을 구하고 민감도를 높인 공진기를 구현해내는 것이 관건이다.

연구팀은 강력한 자기장을 발생시키기 위해 CERN의 LHC(강입자충돌기)에 쓰였던 9T(테슬라, 자기장의 강도를 나타내는 단위. 1T는 지구 자기장의 2만배에 달한다)의 강한 자석을 액시온 검출에 사용할 계획이다.

이 자석은 실제 양성자 충돌 실험에 사용하기 위해 제작한 것으로, 테스트를 거친 시제품이다.

공동연구팀은 이달 초부터 1.7K(캘빈, 1K은 영하 273도)에서도 실험이 가능한 초극저온 장치 개발에 들어갔으며, 8월부터는 시운전에 들어가 앞으로 5년 동안 CERN에서 실험을 진행하게 된다.

액시온이라는 개념을 이론적으로 처음 제시한 김진의 경희대 석좌교수는 “강한 자기장을 가진 자석은 가격이 비싸고 기술 구현이 어려운데 CERN의 강력한 자석을 이용해 액시온 검출 확률을 높일 수 있다”면서 “CERN의 강력한 자석과 연구단의 고주파 공진기 및 극저온 장치 기술을 결합해 액시온을 찾을 가능성을 높일 수 있을 것으로 기대하고 있다”고 말했다.

이번 공동연구는 CERN 측에서 먼저 제의했다.

IBS 액시온 및 극한상호작용 연구단 야니스 세메르치디스(Yannis K.Semertizids) 단장은 “지난해 CERN에서 보유하고 있는 자석이 있으니, 우리 쪽에서 공진기와 신호처리장치를 개발해 함께 실험하는 것이 어떻겠느냐는 제안이 와 공동연구 협약을 하게 됐다”고 설명했다.

이어 “한국에는 ‘액시온의 아버지’ 김진의 교수가 있고, 액시온 검출장비에도 투자를 많이 하는 만큼 기술적 수준에서 경쟁력이 있어서 공동연구를 하려 하는 것”이라고 덧붙였다.

IBS 연구단은 이와 함께 자체적으로 KAIST 문지캠퍼스에 액시온 검출을 위한 실험시설을 구축하고 있다.

6기의 극저온 실험장비와 7기의 무진동 시설을 구축해 내년 9월에는 실험을 시작할 계획으로, 궁극적으로 자석의 세기를 35T까지 높이는 것이 목표다.

계획대로 시설이 완공된다면 2018년에는 액시온 검출을 위한 의미 있는 데이터를 받을 수 있을 것으로 기대하고 있다.

세메르치디스 단장은 “CERN의 연구자들과 IBS 연구자들 간 교류를 통해 새로운 암흑물질 발견과 물리학 발전에 기여할 수 있길 바란다”고 말했다.

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