우주 탄생의 비밀을 밝히기 위한 암흑물질 '액시온' 탐색 연구가 한층 정밀해졌다.
기초과학연구원(IBS·원장 장석복)은 윤성우 암흑물질 액시온 그룹 CI팀이 액시온 후보 신호를 독립적인 실험 장치와 고감도 재탐색으로 검증하고, 세계 최고 수준의 탐색 민감도 달성에도 성공했다고 13일 밝혔다.
액시온은 우주 질량 약 85%를 차지하는 '암흑물질'의 강력한 후보로 꼽힌다. 실존한다면 강한 자기장 안에서 매우 미약한 마이크로파 신호로 나타날 수 있다. 검출에 잡음 억제와 고감도 실험 기술이 요구된다.
다만 액시온 후보 신호 관측이 곧 새로운 입자 발견을 의미하는 것은 아니다. 여러 요인으로 실제 신호와 유사한 현상이 나타날 수 있어 후보 신호를 독립 검증하고, 동일 조건에서 재현되는지 확인하는 과정이 필수다.
IBS 연구진은 고감도 액시온 탐색 기술을 바탕으로, 기존 탐색에서 일부 측정 정보가 누락돼 분석을 보류했던 1.033~1.037㎓ 구간을 재분석했다. 그 결과 1.036㎓ 부근에서 액시온 후보 신호가 확인됐다. 액시온 암흑물질 신호에서 예상되는 특징과 일치해 연구진은 이를 유력한 액시온 후보 신호로 주목했다.
연구진은 수개월에 걸친 후속 검증 결과 이를 일시적으로 나타난 신호라고 결론 내렸지만, 해당 신호 주변 1.026~1.045㎓ 대역을 더 높은 민감도로 재탐색하면서 액시온 존재 후보 영역을 기존보다 더욱 정밀하게 좁히는데 성공했다.
특히 일부 주파수 구간에서는 액시온 암흑물질 신호의 세기를 예측하는 대표 이론인 'DFSZ 모델'에 근접하는 탐색 민감도를 확보했다.
제1저자인 안새벽 박사후연구원은 “이번 연구를 통해 강력한 후보 신호가 나타났을 때 독립 장치와 원래 실험 장치를 활용한 단계적 검증이 얼마나 중요한지 확인할 수 있었다”라고 설명했다.
윤성우 CI는 “이번 연구는 단순히 액시온 후보 신호를 배제한 데 그치지 않고, 실제 암흑물질 발견 가능 신호를 어떻게 검증해야 하는지를 보여준 사례”라며, “IBS 암흑물질 액시온 그룹이 고감도 액시온 탐색 능력뿐 아니라 후보 신호의 진위를 독립적으로 확인할 수 있는 세계적 수준의 검증 역량을 갖추고 있음을 보여준다”라고 말했다.
이번 연구 결과는 국제학술지 '피지컬 리뷰 레터스'에 11일 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
