기초과학연구원(IBS)의 연구진이 액시온(Axion) 암흑물질 탐색 범위를 좁히는 데 성공했다. 이들은 가장 정밀한 실험 설비를 이용해 액시온 탐색 영역을 확장했으며, 연구 결과는 국제학술지 'PRX'와 'PRL'에 실렸다.

암흑물질은 우주 물질의 약 27%를 차지하지만, 그 본질은 아직 미지수다. 우주 속 암흑물질은 빛과 상호작용하지 않기 때문에 눈에 보이지 않고 중력만으로 존재를 감지할 수 있다. 연구진은 이론적으로 예측된 영역을 탐색하며 존재하지 않는 영역을 배제하는 방식으로 실험을 진행했다. IBS '액시온 및 극한상호작용 연구단'은 두 건의 논문을 통해 암흑물질 사냥 범위를 좁혔다. 액시온은 아주 작은 질량을 가지며, 자기장과 만나면 광자(빛)로 변환된다. 연구단은 강력한 자석과 공진기를 이용해 미약한 주파수를 증폭하고 검출했다.

문제는 액시온의 질량을 알 수 없다는 점. 연구단은 방대한 주파수 영역을 탐색하기 위해 맞춤형 장비를 개발했다. IBS의 메인 실험인 CAPP-MAX는 DFSZ 액시온 탐색을 목표로 하며, 12T의 자석을 구현했다. 연구단은 초저온 환경과 첨단 판독 전자장치를 사용해 탐색 속도를 높였다. 액시온 질량이 4.24~4.91µeV에 해당하는 주파수 범위를 세계 최고 감도로 탐색했다. 이번 연구는 더 넓은 영역을 탐색하며, 독자 개발한 장비가 액시온 탐색에 유용함을 증명했다. 연구 결과는 8월 12일자 'PRX'에 게재됐다.

한편, 고주파수 팀은 기존 액시온 실험이 저주파 신호 탐색에 주목하던 것과 달리 더 높은 주파수에 주목했다. 최근 연구들은 액시온의 질량을 20~30µeV로 예측했다.

고주파 신호를 탐색하려면 공진기의 부피를 줄여야 한다. 연구팀은 원통형 공진기를 여러 개의 방으로 나눈 '피자 공진기'를 고안했다. 이번 연구에서 연구팀은 12T의 고자기장 환경에서 삼중방 피자 공진기로 실험을 진행했다. 첨단 냉각기와 양자 증폭기를 도입해 실험 민감도를 높였다. 실험 결과, 액시온이 질량 22µeV 영역에서 존재할 가능성을 90% 신뢰 수준으로 배제했다. 연구 결과는 7월 31일 PRL에 게재됐다.