‘액시온’과 ‘암흑광자’ 연결고리 찾았다

▲ 암흑세계를 탐색할 수 있는 포털.

IBS, 암흑물질 후보 ‘액시온’ 검출 가능성 높여

암흑물질의 유력한 후보 ‘액시온(Axion)’을 발견할 수 있는 새로운 방법이 제시됐다.

기초과학연구원(IBS)은 순수물리이론연구단 이혜성 연구위원 연구팀이 가상물질인 ‘암흑광자’(dark photon)를 통해 액시온을 발견할 수 있는 방식을 찾았다고 23일 밝혔다.

우주 속 암흑물질은 빛과 상호작용하지 않는다.

따라서 눈에 보이지 않고 중력만으로 존재를 감지한다.

우리 눈에 보이는 우주는 표준모형 입자로 5％에 불과하며, 나머지는 밝혀지지 않은 암흑물질(27％)과 암흑에너지(68％)다.

암흑물질의 후보 물질로 액시온을 비롯해 ‘중성미자’, ‘윔프(WIMPs)’ 등이 거론되고 있다.

전 세계에서 이를 확인하기 위한 노력을 진행 중이다.

암흑물질 입자는 그들끼리만 상호작용하는 특징이 있다.

따라서 암흑물질 입자들이 표준모형 입자와 소통하는 통로인 ‘포털(Portal)’이라는 개념이 필요하다.

연구팀은 1990년대 등장한 ‘암흑광자’라는 가상의 입자를 가정해 기존 액시온 포털을 변형시킨 새로운 포털을 제시했다.

암흑광자는 암흑전하를 가진 물질과 상호작용하는 입자다.

‘쿼크(quarkㆍ소립자)’는 표준모형 상 더이상 쪼개지지 않는 기본 단위다.

암흑전하를 가진 아주 무거운 쿼크가 있다면 이는 암흑광자와 상호작용해 새로운 포털을 만들 수 있다.

기존 액시온 탐색 실험에 이용되는 포털은 액시온과 한 쌍의 ‘광자(photon)’로 이뤄진 ‘액시온-광자-광자’ 사이의 상호작용이다.

연구팀이 발견한 포털은 ‘액시온-광자-암흑광자’ 사이의 상호작용이 만들어지기 때문에 암흑광자를 통해 액시온을 검출할 수 있다.

이는 기존 액시온 실험의 관측 범위를 넓히고 기존 실험 데이터를 다르게 해석해 액시온 검출에 기여할 수 있을 것으로 전망된다.

이혜성 연구위원은 “서로 독립적으로 연구되던 액시온 연구와 암흑광자 연구를 서로 연결해 검출 가능성을 높였다”고 말했다.

이번 연구성과는 지난 10일 국제 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 실렸다. 최소망 기자 somangchoi@

▲ 이혜성 순수물리이론 연구단 연구위원, 사진, 쿠니오 카네타 순수물리이론 연구단 연구위원, 윤석훈 순수물리이론 연구단 인턴 학생(KAIST 박사과정)