메타물질의 구조(왼쪽)와 실제 공진기 안에 설치된 사진(오른쪽)

(대전= 박주영 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 물리학과 야니스 세메르치디스 교수 연구팀이 기초과학연구원(IBS) 액시온·극한상호작용 연구단과 공동으로 우주 속 암흑물질 후보인 '액시온'(Axion) 탐색을 위한 공진기 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.

우주 속 암흑물질은 빛과 상호작용하지 않기 때문에 눈에 보이지 않고 중력만으로 존재를 감지할 수 있다.

이런 암흑물질의 유력한 후보로 거론되는 액시온은 물리학계 난제인 '물질-반물질 비대칭 현상'을 해결할 열쇠로도 주목받고 있다.

우주에 빅뱅이 일어났을 때 물질과 반물질이 같은 양으로 만들어졌다면 모이면서 상쇄돼 소멸해야 한다.

그에 따른 우주 질량을 가늠해보면 현재 1∼10개 정도의 은하계만 남아있어야 하는데, 이론적으로 우주에는 3천500억개 이상의 은하계가 존재하는 것으로 알려졌다.

이를 설명하려면 물질이 반물질보다 훨씬 많이 퍼져 있는 물질-반물질 비대칭 현상이 존재해야 하며, 이처럼 물리학 표준 모델로는 설명이 되지 않는 수수께끼를 풀기 위해 물리학자들이 고안해 낸 입자가 액시온이다.

액시온은 질량이 가벼워 매우 약하게 상호작용을 하기 때문에, 이를 찾아내기 위해서는 강력한 자기장을 걸어 액시온 장의 일부를 전자기파를 방출할 수 있는 광자로 바꿔야 한다.

고유한 진동 주파수에 맞춰 공진기(금속으로 된 속이 빈 구조물)의 공명 진도 수를 조절, 액시온을 광자로 바꾸는 실험이 전 세계적으로 진행되고 있다.

현재보다 더 높은 주파수 영역에 존재할 이론적 가능성이 제기됨에 따라 공진기의 주파수를 높이려는 연구가 진행되고 있지만, 주파수를 높이려 크기를 줄이면 탐색 효율성이 떨어지는 문제가 있다.

연구팀은 극저온과 강한 자기장 환경에서도 작동 가능한 메타물질(자연계에 존재하지 않는 새로운 광학 특성을 가진 물질) 기반 공진기 기술을 개발했다.

'키리가미'(특정 모양으로 자른 뒤 접었다가 펼치면 입체 형상을 나타냄) 방식으로 설계된 이 메타물질은 한쪽 면이 팽창·수축할 때 다른 면도 함께 팽창·수축해 최소한의 힘과 열만으로도 주파수를 조정할 수 있다.

연구팀은 이 공진기를 극저온으로 냉각한 상태에서 지구 자기장보다 18만배 강한 9테슬라(Tesla)의 자기장을 걸어 액시온 검출 실험을 수행했고, 민감도를 기존의 두 배로 높이는 데 성공했다.

제1 저자인 KAIST 배성재 박사과정 학생은 "공진기의 부피 손실이 없으면서도 민감도를 높일 수 있는 주파수 조정 기술을 개발, 고주파 영역에서의 액시온 탐색 효율을 크게 높였다"고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 '피지컬 리뷰 레터스'(Physical Review Letters) 지난 22일 자에 실렸다.

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