KAIST·기초연, 암흑 물질 ‘액시온’ 탐색 가능성 높여

(대전=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 암흑 물질인 ‘액시온’ 탐색 가능성을 획기적으로 높여 주목된다.

암흑 물질은 질량은 있으나 관측이 불가한 미지의 물질로, 우주 전체 에너지의 약 27% 정도를 차지하고 있다.

한국과학기술원(KAIST)은 물리학과 야니스 세메르치디스 교수 연구팀이 기초과학연구원(IBS) 산하 액시온 및 극한상호작용 연구단과 메타물질을 이용해 암흑 물질인 액시온의 탐색 범위를 효율적으로 확장할 방법을 구현했다고 25일 밝혔다.

메타물질은 자연에서 발견되지 않은 특성을 갖도록 인공적으로 설계한 물질을 말한다.

최근 암흑 물질 액시온의 질량을 예측하려는 이론적 연구들에 따르면 현재 민감한 실험들이 다루고 있는 영역보다 더 높은 주파수대에서 탐색이 필요하다.

이에 따라 고주파 탐색의 필요성이 대두되면서 다양한 공진기 개발이 이뤄졌고 고주파 액시온 탐색에서 높은 효율을 기대할 수 있게 됐으나 고차 공명 모드를 효과적으로 튜닝할 방법은 여전히 부족한 상황이다.

이에 연구팀은 음팽창 메타물질 구조를 활용해 회전 운동을 2차원 팽창 및 수축 운동으로 전환하는 새로운 튜닝 메커니즘을 개발했다.

키리가미라는 종이접기·자르기 방식에서 영감을 얻은 음팽창 메타물질 구조체는 특유의 결합 배열 덕분에 한쪽 면에 팽창·수축하는 힘이 가해질 때 다른 면도 함께 팽창·수축하는 특성을 갖는다.

이러한 성질을 이용하면 구조체의 중심이 회전할 때 전체 구조가 팽창하거나 수축하는 움직임으로 변환된다. 이를 통해 간단한 1차원 회전 움직임을 더 복잡한 2차원 움직임으로 확장할 수 있는 혁신적인 구조가 만들어진다.

또 저온 환경에서 음팽창 구조체의 효율적인 움직임을 위해 기어 구조를 도입해 힘을 보강했다. 이를 통해 극저온 환경에서도 최소한의 힘과 열 발생으로 구조체를 효과적으로 구동하며 주파수를 조정할 수 있었다.

연구팀은 육각 음팽창 구조를 유전체 튜닝 구조체로 고려하고 이를 공진기에 적용해 주파수를 효과적으로 조정할 수 있음을 확인했다.

이 구조체는 극저온과 강한 자기장 환경에서도 작동 가능한 메타물질 기반 주파수 조정 장치로 향후 고주파 영역의 암흑 물질 액시온 탐색에 적극 활용될 것으로 기대된다.

배성재 KAIST 박사과정 학생(제1저자)은 “고차 공명모드를 실용적으로 활용할 수 있는 튜닝 메커니즘의 입증을 통해 고주파 액시온 탐색에 새로운 방향을 제시했다”고 말했다.

정준우 IBS 박사후 연구원(공동 제1저자)은 “궁극적으로 액시온 암흑 물질의 비밀을 풀기 위해 보다 포괄적이고 효과적인 탐색 전략의 돌파구를 마련했다”고 했다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스'에 지난 22일 게재됐다.

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