피자로 암흑물질 미스터리 푼다?

기초과학연구원 윤성우 박사팀, 네 배 빠른 액시온 검출법 개발

암흑물질은 우주를 구성하고 있는 물질의 23% 이상을 차지하고 있으나 그 존재는 중력을 통해서만 인식할 수 있을 뿐 여전히 미스터리에 싸여 있다.

이 암흑물질(dark matter)의 후보로는 ‘약하게 상호작용하는 무거운 입자’인 윔프(WIMPs)나 아주 가벼운 액시온(axion) 같은 소립자가 거론되고 있다.

이 가운데 액시온은 우리 우주의 물질-반물질 불균형과 관련된 강력한 핵력의 근본적인 대칭 문제를 설명하기 위해 도입된 가상의 입자다.

액시온은 우주에서 ‘누락된(missing)’ 질량을 설명할 수 있을 만큼 충분히 방대한 양이 존재할 것이라 생각되고 있으나, 암흑물질을 찾는 일은 지금까지도 매우 어려운 과제에 속한다.

액시온의 존재와 정체가 구체적으로 밝혀진다면 우주의 표준 모델을 넘어서는 새로운 물리학 영역이 열릴 수 있어 우리나라를 비롯한 세계 여러 나라 과학자들이 경쟁적으로 액시온 찾기에 나서고 있다.

최근 기초과학연구원 액시온 및 극한상호작용연구단(CAPP) 윤성우 박사팀이 2년간의 연구 끝에 ‘피자 캐비티(pizza cavity)’라고 불리는 새로운 다중-셀 캐비티를 개발해 액시온 검출의 선두주자로 나서게 됐다.

미국 물리학회(APS) 주요 저널인 ‘물리학 리뷰 레터’(Physical Review Letters) 11월 25일 자에 발표된 이번 연구는 액시온 검출을 기존보다 네 배 빠르게 수행하면서도 효율성과 신뢰성을 높임으로써 고주파 영역에서 오랫동안 염원했던 액시온 암흑물질 검출을 위한 최적의 설계로 평가되고 있다.

세계 여러 나라 과학자들이 미스터리에 싸인 암흑물질을 발견하기 위해 경쟁적으로 연구를 진행하고 있는 가운데, 우리나라 기초과학연구원 윤성우 박사팀이 암흑물질의 유력한 후보 가운데 하나인 액시온 소립자를 기존보다 네 배 빠르게 검색할 수 있는 방법을 개발했다. 은하단의 질량 분포에 대해 광학과 X선, 계산된 암흑물질로 합성한 이미지. © NASA/CXC/M. Weiss

캐비티 볼륨을 피자처럼 수직으로 분할

과학자들은 액시온이 자기장과 상호 작용할 때 액시온의 에너지가 광자로 변환될 것이라고 믿고 있다. 그 결과 탄생한 광자는 마이크로 주파수 범위 어딘가에 존재할 것으로 예상된다. 실험물리학자들은 마이크로파 탐지기인 캐비티 할로스코프(cavity haloscope)를 사용해 액시온과 일치하는 것을 찾기 위해 노력 중이다.

원통 코일인 솔레노이드에 원통형 공진기를 설치하면 통 속 공간을 채우는 자기장이 신호를 향상시킬 수 있다. 할로스코프도 또한 통 속 공간의 공진 주파수를 지속적으로 조정할 수 있다.

미국 워싱턴대에서 시행하는 가장 민감한 액시온 검출 실험인 ‘액시온 암흑물질 실험(ADMX, the Axion Dark Matter eXperiment)’에서는 높은 주파수 영역을 스캔하려면 더 작은 공간 반경이 필요해 1GHz 아래의 저주파 영역을 탐색했으나, 상당한 볼륨 손실이 발생하고 신호도 적었다.

이런 상황에서 기초과학연구원 윤성우 박사팀은 피자를 본 뜬 새로운 다중-셀 캐비티를 개발해 액시온 검출에 한층 용이한 접근을 시도했다.

피자를 여러 조각으로 자르는 것처럼, 캐비티 볼륨을 수직으로 동일한 조각(셀)으로 분할한 것. 이 다중-셀 할로스코프는 손실되는 볼륨이 거의 없어 고주파 영역에서도 의미 있는 출력이 가능하다는 장점이 있다.

논문 교신저자인 윤 박사는 “피자 캐비티 할로스코프는 기존의 다중 캐비티 설계에 비해 검출 볼륨이 더 클 뿐 아니라 더욱 간단한 검출기 설정과 고유한 위상-일치 메커니즘이 특징”이라고 밝혔다.

다양한 내부 섹션을 가진 캐비티 디자인들. (왼쪽에서 오른쪽으로) ① 하나의 큰 구멍 ② 하나의 작은 구멍 ③ 여러 개의 작은 구멍 ④ 다중 셀 구멍 (피자 구멍) ⑤ 간격이 있는 다중 셀 구멍. 오른쪽으로 갈수록 검색 속도가 빠르고 효율과 신뢰성이 높다. © IBS

민감도 더 높고, 속도 네 배 빨라

이 작업에서는 작은 캐비티들을 함께 묶어 개별 신호들을 동일 주파수에 맞춰진 모든 캐비티와 결합하려고 노력했으나, 복잡한 설정과 중요한 주파수 매칭 메커니즘이 병목현상을 초래했다.

연구팀은 이러한 어려움을 넘어서 다중-셀 캐비티가 향상된 효율성과 신뢰성으로 고주파 신호를 감지할 수 있음을 증명했다.

2K(켈빈온도, – 271 ° C) 온도에서 9T-초전도 자석을 사용한 실험 결과 연구팀은 미국 워싱턴대의 ADMX보다 4~5배 높은 영역인 200 MHz로부터 3 GHz 이상의 높은 영역을 빠르게 스캔해, 다른 실험실에서 도출한 이전의 실험 결과들보다 이론 모델에 대한 더 높은 민감도를 구현했다.

이와 함께 새로운 캐비티 설계는 주어진 주파수 영역을 기존의 실험에서 행했던 것보다 네 배 더 빠르게 탐색할 수 있었다. 윤 박사는 “네 배 더 빠르게 작업을 수행할 수 있게 됨으로써 이곳 박사과정생들이 다중-셀 캐비티 디자인을 사용해 다른 실험실 학생들보다 더 빨리 학업을 마칠 수 있을 것”이라고 말했다.

시뮬레이션에서 액시온-유도 전기장의 예상 분포를 가진 다양한 다중-셀(이중, 4중, 8중 셀) 캐비티의 횡단면을 나타낸 그림. © IBS

여러 개의 다중-셀 캐비티 통합 모색

이 다중-셀 디자인을 작동하기 쉽게 하는 것은 중간에 있는 파티션 사이의 간격이다. 모든 셀들이 공간적으로 연결되게 함으로써 단일 안테나가 전체 볼륨에서 나오는 신호를 수신할 수 있다.

윤 박사는 “피자 상자의 뚜껑을 받쳐주는 피자 세이버가 피자 토핑을 잘 유지해 주도록 하는 것처럼 피티션 사이 간격이 셀들이 작업을 수행하는 데 도움을 준다”고 말했다.

또한 단일 안테나를 통해 연구자들은 액시온-유도 전자기장이 캐비티 전체에 고르게 분포돼 있는가를 평가할 수 있고, 이는 최대 유효 볼륨을 달성하는데 중요한 것으로 밝혀졌다.

윤 박사는 “그러나 캐비티 구축의 부정확성과 정렬 불량이 감도를 저해할 수 있다”며, “이를 해결하기 위해 이번 멀티-셀 디자인에서는 중간의 간격 크기를 조정해 이 문제를 해결하고 볼륨을 낭비하지 않도록 했다”고 설명했다.

연구팀은 액시온 검색 대역을 현재보다 더 높은 주파수 영역으로 확장하기 위해 CAPP의 기존 시스템에 여러 개의 다중-셀 캐비티를 통합하는 방법을 모색 중이다.

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