암흑물질 후보 ‘액시온’ 탐색 실험, 한국이 앞서다.

우주를 더 잘 이해하게 하는 암흑물질, 액시온에 대한 탐구

[객원 에디터 5기 / 한지헌 기자] 유력한 암흑물질 후보인 액시온을 찾기 위한 실험 장비가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영)은 대통일 이론을 기반으로 하는 엑시온 암흑물질 탐색 장비를 구축했다고 20일 밝혔다. 

우주의 가장 큰 미스터리 중 하나는 암흑물질이다. 암흑물질이란 우주 물질 중 약 27%를 차지하는 것으로 생각되는 물질의 가상의 형태이며, 3가지 종류(액시온, 중성미자, 윔프)가 암흑물질의 후보로 뽑히고 있다. 특히, 액시온은 우주의 26.8%를 차지할 것으로 예상되고 있지만 탐지되지 않고 있다. 

현대 물리학에서 ‘표준모형’은 양성자, 중성자보다 훨씬 작은 입자들을 17가지로 분리하고 중력을 제외한 3 가지의 힘 (강력, 약력, 전자기력)과의 상호작용을 가장 잘 설명하는 이론으로 알려져 있다.

하지만 표준모형이 우주의 ‘미스터리’라고 불리는 암흑물질은 표준모형으로 설명이 불가능하다. 이 문제를 해결하기 위해, 물리학자들은 여러 가지 이론들을 제시했는데, 그중 하나가 ‘대통일 이론’이다. 

대통일 이론은 높은 에너지에서는 중력을 제외한 3가지의 힘이 합쳐진다고 가정하고, 빅뱅이론 후 우주가 냉각되면서 이러한 규칙들이 서로 분리되었다고 주장하는 이론이다. 그리고, 이론은 우주 초기의 높은 에너지 상태에서 입자들이 서로 상호작용하며 암흑물질을 만들어 냈다는 것을 제안한다. 

대통일 이론을 검증하기 위해 입자를 제일 높은 에너지로 가속하는 장치인 유럽입자물리연구소(CERN)의 대항강입자가속기(LHC)를 사용해 검증을 시도해 봤지만 에너지가 부족해 성공적이지 않았다.

만약 액시온 암흑물질을 발견하면 대통일 이론의 큰 증거가 될 수 있다. 액시온은 강한 자기장과 만나면 빛(광자)으로 변하는데 이 사실을 이용해 1989년부터 워싱턴대의 ADMX(Axion Dark Matter Experiment)에 유일하게 연구가 시작됐다. 그 이후 IBS연구진도 액시온의 탐색 연구를 시작했다. 

IBS 연구진은 지구자기장의 30만 배에 이르는 자석을 설치하고, 주로 온도는 실험 결과의 영향을 크게 주기 때문에 검출을 방해하는 요소를 방지하기 위해 절대온도(-273도)에 가까운 초저온 환경에서 실험을 했다. 교신저자인 고병록 연구위원은 “이와 더불어 공진기에서 나오는 신호를 100%를 읽어낼 수 있는 처리 시스템을 개발하여 탐색 속도를 대폭 높였다”며 ADMX보다 탐색 속도가 거의 3.5배나 차이 난다고 밝혔다. 

고 연구위원은 “액시온이 발견되고, 이것이 암흑물질로 밝혀진다면 인류는 5%를 넘어 32%의 우주를 이해할 수 있게 된다”라고 말했다.