IBS, 고주파 ‘액시온’ 검출 시간 4분의 1로 단축

▲다중방 공진기와 성능 시험 모습이다. (사진제공=기초과학연구원)

기술적인 한계로 저주파 신호 탐색에 머물러 있던 ‘액시온’ 실험에 새로운 가능성을 연 기술이 개발됐다.

기초과학연구원(IBS)은 액시온 및 극한상호작용 연구단 윤성우 연구위원 연구팀이 암흑물질 후보인 액시온의 고주파수 신호를 효율적으로 검출하는 다중방 공진기를 개발했다고 15일 밝혔다.

액시온은 우주에 존재하는 물질-반물질 비대칭 문제를 풀 실마리이자 암흑물질의 후보다. 자기장을 만나면 마이크로파장의 전자기파로 변하는 데 공명을 이용해 검출할 수 있다. 자기장이 흐르는 공진기 안에서 액시온 신호가 발생하면 고유주파수와 일치하는 파동이 증폭되는 원리다. 이때 신호의 주파수를 결정하는 것은 액시온의 질량이지만 이론적으로 질량이 밝혀지지 않아 모든 주파수 영역대를 실험해 볼 수밖에 없다.

공진기는 부피가 작을수록 고유주파수가 높다. 고주파 신호를 탐색하려면 공진기 부피를 줄여야 하나 부피가 줄면 액시온이 전자기파로 변하는 확률도 감소해 같은 양의 데이터를 얻는 데 시간이 오래 걸린다.

연구진은 원통형 공진기를 피자 모양으로 여러 개의 방으로 나눠 고유주파수를 높이되 부피는 최대화한 다중방 공진기를 고안했다. 2년 동안 방대한 시뮬레이션과 시제품 테스트를 통해 피자 공진기의 디자인을 최적화하고 가공 오차 문제를 해결했다.

연구진은 새로운 디자인을 실제 실험에 적용해, 9테슬라 초전도 자석과 방이 2개인 이중방 피자 공진기로 액시온 검출 실험을 진행했다. 그 결과 ADMX 탐색 영역보다 4~5배 높은 주파수 영역대를 3주 만에 검색했다. 기존 공진기로 3개월이 걸릴 실험을 4분의 1로 단축한 것이다.

윤성우 연구위원은 “공진기 모양 자체를 바꾸는 시도는 드물었는데, 디자인 변경만으로 실험 효율을 크게 높였다는 의의가 있다”며 “기존 실험이 어떤 성과를 내는 데 4년이 걸린다고 하면 이제 1년이면 충분하다는 뜻”이라고 말했다.

연구 결과는 미국 물리학회 저널인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 11월 25일 자로 온라인 게재됐다.