"암흑물질 후보 액시온 탐색·검증 정밀도 세계 최고 수준 달성"

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IBS 연구팀 "1.036㎓ 액시온 후보 신호 검증…액시온 신호 아니다 결론"

(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 우주 질량의 85%를 차지하는 암흑물질(dark matter)의 유력 후보인 액시온(axion) 탐색 연구에서 세계 최고 수준의 탐색 민감도로 액시온 후보 신호(1.036 ㎓)를 검증한 결과를 내놨다.

기초과학연구원(IBS) 암흑물질 액시온 그룹 윤성우 박사팀은 13일 액시온 후보 신호를 독립적인 실험 장치와 고감도 재탐색을 통해 정밀 검증하고, 세계 최고 수준의 탐색 민감도를 달성, 액시온 후보 영역을 더 정밀하게 규명하는 데 성공했다고 밝혔다.

이 연구 결과는 과학 저널 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters. 7월 11일 자)에 게재됐다.

액시온(axion)은 현대 물리학의 오랜 난제인 'CP 대칭성 문제'(Charge-Parity symmetry problem)를 설명하기 위해 제안된 가설 입자로 매우 가볍고 전기적으로 중성이며, 일반 물질과 거의 상호작용하지 않는 특성이 있다.

액시온이 실제 존재한다면 강한 자기장 안에서 매우 미약한 마이크로파 신호로 나타날 수 있지만, 이를 검출하려면 강한 자기장과 극저온 환경에서 공진기를 이용해 극도로 미약한 전자기 신호를 포착해낼 수 있어야 한다.

연구팀은 고감도 액시온 탐색 기술을 바탕으로 기존 탐색에서 일부 측정 정보가 누락돼 분석을 보류했던 1.033~1.037㎓ 구간을 정밀하게 재분석해 1.036 ㎓ 부근에서 액시온 후보 신호를 확인했다.

확인된 신호는 단순한 데이터 변동이 아닌 통계적으로 유의미한 수준이고, 신호의 세기와 스펙트럼 형태가 암흑물질 신호에서 예상되는 특징과 일치해 유력한 액시온 후보 신호로 추정됐다.

하지만 연구팀이 이 후보 신호의 진위를 확인하기 위해 후속 검증을 한 결과 이 신호는 실제 액시온 암흑물질 신호가 아닌 일시적으로 나타난 신호로 밝혀졌다.

먼저 기존 실험 장치와는 별개의 독립 장치로 같은 주파수 대역을 다시 측정하고, 후보 신호가 처음 관측된 12TB 액시온 탐색 장치에서도 재측정하는 등 수개월에 걸친 검증에서 해당 신호가 모두 재현되지 않았다는 것이다.

연구팀은 이어 해당 신호 주변 1.026~1.045㎓ 대역을 더 높은 민감도로 재탐색한 결과 이 범위에서 액시온 암흑물질 신호가 관측되지 않았다며 액시온 후보 영역을 기존보다 더욱 정밀하게 좁히는 데 성공했다고 밝혔다.

논문 제1 저자인 안새벽 박사는 "처음 액시온 후보 신호를 확인했을 때 신호 세기와 스펙트럼이 액시온 신호에서 예상되는 특성과 매우 유사해 큰 기대감을 갖고 검증에 착수했다"며 "이 연구에서 강력한 후보 신호가 나타났을 때 독립 장치와 원래 실험 장치를 활용한 단계적 검증이 매우 중요하다는 것을 확인했다"고 설명했다.

윤성우 박사는 "이 연구는 단순히 액시온 후보 신호를 배제한 데 그치지 않고, 실제 암흑물질 발견 가능 신호를 어떻게 검증해야 하는지를 보여준다"며 "이는 IBS 암흑물질 액시온 그룹이 고감도 액시온 탐색 능력뿐 아니라 후보 신호의 진위를 독립적으로 확인할 수 있는 검증 역량을 갖추고 있음을 보여준다"고 말했다.

scitech@yna.co.kr

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