[대전=뉴스핌] 김태진 기자 = 기초과학연구원(IBS)은 액시온 및 극한상호작용 연구단 윤성우 연구위원 연구팀이 암흑물질 후보인 액시온의 고주파수 신호를 효율적으로 검출하는 다중방 공진기를 개발했다고 15일 밝혔다.

지금까지 기술적인 한계로 저주파 신호 탐색에 머물러 있던 액시온 실험에 새로운 가능성을 연 것으로 평가된다.

액시온은 현대 물리학의 난제 해결을 위해 고안된 입자로 우주에 존재하는 물질-반물질 비대칭 문제를 풀 실마리이자 암흑물질 후보다.

액시온 검출 장치 모식도[사진=IBS] 2020.12.15 memory4444444@newspim.com

액시온은 자기장을 만나면 마이크로파장의 전자기파로 변하는데 이를 공명을 이용해 검출할 수 있다. 자기장이 흐르는 공진기 안에서 액시온 신호가 발생하면 고유주파수와 일치하는 파동이 증폭되는 원리다.

연구진은 원통형 공진기를 피자 모양으로 여러 개의 방으로 나눠 고유주파수를 높이되 부피는 최대화한 다중방 공진기를 고안했다. 방 개수가 많아질수록 더 높은 고유주파수를 얻을 수 있다.

가운데 방들이 서로 연결되는 빈 공간을 만들어 한 개의 안테나로 공진기 전체 신호를 읽을 수 있게 했다.

연구진은 2년 동안 방대한 시뮬레이션과 시제품 테스트로 피자 공진기의 디자인을 최적화하고 가공 오차 문제를 해결했다.

제작공정에서 아주 미세한 오차라도 발생할 경우 공진기 안의 전자기장이 가장 넓은 방으로 쏠려 실제 검출 부피가 줄어들 수 있다.

연구진은 방들 사이의 전자기장 상호작용을 공진기 가운데의 안테나로 읽어냈다. 또 가운데 공간 크기를 조절해 가공 오차의 영향을 최소화할 수 있었다.

다중방 공진기 내부의 전자기장 분포 시뮬레이션(전자기장이 강하면 붉은색, 약하면 파란색으로 표시)[사진=IBS] = 2020.12.15 memory4444444@newspim.com

연구진은 피자 공진기의 문제들을 해결한다는 의미에서 이 가운데 공간을 '피자 세이버(피자를 고정하는 플라스틱 핀)'라고 이름 붙였다.

연구진은 새로운 디자인을 실제 실험에 적용해 9 테슬라 초전도 자석과 방이 2개인 이중방 피자 공진기로 액시온 검출 실험을 진행했다. 그 결과 ADMX 탐색 영역보다 4~5배 높은 주파수 영역대를 3주 만에 검색할 수 있었다. 이는 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.

이번 연구결과는 미국 물리학회 저널 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)' 온라인 판에 지난 11월 25일 게재됐다.

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