암흑물질 검출 실험 효율 획기적으로 높이기
암흑물질 검출 실험 효율 획기적으로 높이기
  • 함예솔
  • 승인 2020.12.23 18:05
  • 조회수 1202
  • 댓글 0
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기초과학연구원(IBS) 액시온 및 극한상호작용 연구단 윤성우 연구위원 연구팀은 암흑물질 후보인 액시온의 고주파수 신호를 효율적으로 검출하는 다중방 공진기를 개발했습니다. 지금까지 기술적인 한계로 저주파 신호 탐색에 머물러 있던 액시온 실험에 새로운 가능성을 연 것으로 평가됩니다. 해당 연구는 'Physical Review Letters'에 게재됐습니다. 

 

암흑물질 후보 액시온

암흑물질은 어디에. 출처: NASA/JPL-Caltech
암흑물질 후보 출처: NASA/JPL-Caltech

액시온은 현대 물리학의 난제 해결을 위해 고안된 입자입니다. 우주에 존재하는 물질-반물질 비대칭 문제를 풀 실마리이자 암흑물질의 후보입니다. 액시온은 자기장을 만나면 마이크로파장의 전자기파로 변하는데, 이를 공명을 이용해 검출할 수 있습니다. 자기장이 흐르는 공진기 안에서 액시온 신호가 발생하면 고유주파수와 일치하는 파동이 증폭되는 원리입니다. 이 때 신호의 주파수를 결정하는 것은 액시온의 질량입니다. 그러나 질량이 이론적으로 밝혀지지 않아 모든 주파수 영역대를 실험해 볼 수밖에 없습니다.

  • 액시온이란?

자연을 지배하는 네 가지 상호작용(중력, 전자기력, 강력, 약력) 중 강한 상호작용은 쿼크들을 묶어 양성자와 중성자를 이루고, 더 나아가 원자핵을 이루는 힘입니다. 그러나 물질과 반물질의 불균형과 관련된 대칭현상을 설명하는 데 있어서 이론값과 실험값이 차이를 보였습니다. 이 문제를 해결하기 위해 특정한 메카니즘이 도입되는데 이 메카니즘의 부산물이 바로 액시온이라는 입자입니다. 재밌게도 이 입자가 아주 작은 질량으로 우주 초기에 형성되었다면, 암흑물질일 가능성이 있습니다. 즉 액시온의 발견은 물리학에서 오래된 두 개의 난제를 동시에 해결함을 의미합니다.

공진기는 부피가 작을수록 고유주파수가 높습니다. 따라서 고주파 신호를 탐색하려면 공진기 부피를 줄여야 합니다. 그러나 부피가 줄면 액시온이 전자기파로 변하는 확률도 감소해, 같은 양의 데이터를 얻는 데 시간이 오래 걸립니다. 이러한 이유로 ADMX도 25년 넘는 실험 과정에서 상대적으로 낮은 주파수 영역을 탐색해 왔습니다. 더 높은 주파수 영역 탐색을 위해 여러 개의 작은 공진기를 연동하려는 시도가 있었으나, 시스템이 복잡하고 신뢰도가 낮아 효과를 보지 못했습니다.

  • 공진기

속이 빈 금속 원통으로, 이 안에서 액시온이 자기장을 만나면 약한 빛(전자기파)가 방출됩니다. 이 신호는 매우 약하지만, 공진기 고유주파수와 일치하면 공명을 일으킵니다. 고유주파수는 원통 지름에 반비례 합니다.

  • ADMX(Axion Dark Matter eXperiment)

1995년에 미국 로렌스 리버모어 국립 연구소에서 시작, 현재 워싱턴 대에서 진행 중인 액시온 탐색 실험입니다.

액시온 검출 장치 모식도. 출처: IBS
액시온 검출 장치 모식도. 출처: IBS

연구진은 원통형 공진기를 피자 모양으로 여러 개의 방으로 나누어, 고유주파수를 높이되 부피는 최대화한 다중방 공진기를 고안했습니다. 방 개수가 많아질수록 더 높은 고유주파수를 얻을 수 있습니다. 또한 가운데에 방들이 서로 연결되는 빈 공간을 만들어, 한 개의 안테나로 공진기 전체 신호를 읽을 수 있게 했습니다. 

다중방 공진기와 성능 시험. 출처: IBS
다중방 공진기와 성능 시험. 출처: IBS

연구진은 2년 동안 방대한 시뮬레이션과 시제품 테스트를 통해 피자 공진기의 디자인을 최적화하고 가공 오차 문제를 해결했습니다. 제작공정에서 아주 미세한 오차라도 발생하면, 공진기 안의 전자기장이 가장 넓은 방으로 쏠려 실제 검출 부피가 줄어들 수 있습니다. 연구진은 방들 사이의 전자기장 상호작용을 공진기 가운데의 안테나로 읽어냈습니다. 또한 가운데 공간 크기를 조절해 가공 오차의 영향을 최소화할 수 있었습니다. 연구진은 피자 공진기의 문제들을 해결한다는 의미에서 이 가운데 공간을 '피자 세이버(피자를 고정하는 플라스틱 핀)'라고 이름 붙였습니다.

다중방 공진기 내부의 전자기장 분포 시뮬레이션. 출처: IBS
다중방 공진기 내부의 전자기장 분포 시뮬레이션. 출처: IBS

연구진은 새로운 디자인을 실제 실험에 적용해, 9 테슬라 초전도 자석과 방이 2개인 이중방 피자 공진기로 액시온 검출 실험을 진행했습니다. 그 결과 ADMX 탐색 영역보다 4~5배 높은 주파수 영역대를 3주 만에 검색할 수 있었습니다. 이는 기존 공진기로 3개월이 걸릴 실험을 1/4로 단축한 겁니다.

공진기 디자인 발전사. 출처: IBS
공진기 디자인 발전사. 출처: IBS
윤성우 연구원. 출처: IBS
윤성우 연구원. 출처: IBS

 

 

 

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 말했습니다. 이번 연구는 차세대 액시온 실험의 고주파 신호 검출 효율을 획기적으로 높일 것으로 기대됩니다. 

 

 

 

 

 


##참고자료##

 


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