IBS(기초과학연구원·원장 노도영)는 액시온 및 극한상호작용 연구단(단장 세메르치디스)이 액시온이 존재하는 이론적 영역에 도달하는데 성공했다고 22일 밝혔다.

'액시온'은 우주의 에너지와 형성에 중요한 역할을 했을 것으로 추정되는 암흑물질 후보다. 하지만 그 존재는 아직 관측되지 못했다. 

세계 연구진들은 강한 자기장과 만나 빛(광자)으로 변한다는 액시온 특성을 단서로 1989년부터 실험을 진행해 왔다. 액시온이 존재할 수 있는 질량 범위와 광자로 변환됐을 때 신호 크기 범위를 이론적으로 추정하고 이를 'QCD(양자색소역학) 액시온밴드'라고 이름지었다. 액시온이 존재할 경우 이 영역 내에서 신호가 발견된다는 뜻이다.

하지만 QCD 액시온밴드가 포함하는 신호 크기는 형광등보다 1억경(1024) 배나 작은 수준으로, 검출에 고도의 기술이 필요하다. 지금까지 이런 신호 검출기술을 갖춘 곳은 미국 워싱턴대와 예일대 뿐이었다.

IBS는 두 대학에 이어 6.62 ~6.82 μeV 질량 범위에서 액시온을 탐색해, 해당 질량에서는 최초로 검출 범위가 QCD 액시온 밴드 영역에 도달하고 탐색한 영역에 액시온이 없음을 확인했다.

액시온 탐색은 자체개발한 장치덕분에 가능했다. IBS는 작은 신호 검출을 위해 강한 자기장 하에서 잡음을 최소화한 실험장치를 구축했다. 연구진은 지구 자기장보다 16만 배 강한 8테슬라 자기장을 내는 원통형 초전도 자석을 마련하고, 자석 중심에 안테나가 삽입된 금속 원통을 넣었다. 

실험은 증폭과 열로 발생하는 잡음을 줄이고 초전도를 유지하기 위해 영하 273℃ 냉동기 안에서 진행됐다. 연구진은 2년에 걸쳐 각 과정에서 잡음을 극도로 줄이고 테스트를 거친 뒤 3달 동안 데이터를 수집해 결과를 얻었다.

제 1저자인 이수형 연구기술위원은 "두 대학이 수십년 연구한 것을 수년만에 따라잡았다"며 "지금보다 두 배 넓은 질량 범위를 6개월 이내에 탐색할 예정이다. 검출기를 향상시켜 작은 신호영역을 더 빠르게 탐색하겠다"고 말했다.