다중 셀 공진기 구조와 전기장 분포 [기초과학연구원 제공. 재판매 및 DB 금지]

(대전＝연합뉴스) 김준호 기자 = 기초과학연구원(IBS)은 암흑물질 액시온 그룹 윤성우 CI 연구팀이 독자 개발한 '다중 셀' 공진기와 초전도 신호 증폭 기술을 결합해 고주파수 영역으로 액시온 탐색 범위를 확장하고, 세계 최고 수준의 탐색 감도를 구현하는 데 성공했다고 19일 밝혔다.

우주의 85%를 차지하는 암흑물질은 빛과 상호작용하지 않기 때문에 눈에 보이지 않고 중력만으로 존재를 감지할 수 있다.

암흑물질 유력 후보로 제시된 액시온(axion)은 극도로 가볍고 전기적으로 중성이며 다른 물질과 거의 상호작용하지 않는 특성을 지닌다.

액시온을 검출하기 위해서는 강한 자기장과 극저온 환경에서 공진기(금속으로 만든 울림통 같은 장치)로 특정 주파수의 전자기파를 강하게 증폭해야 한다.

IBS 연구팀은 내부를 여덟 개의 동일한 셀(Cell)로 나눈 8셀 구조의 공진기를 독자적으로 설계·제작했다.

이 새로운 구조는 공진기의 크기를 줄이지 않고도 더 높은 주파수에서 공진이 일어나도록 구현해 신호 감도를 유지할 수 있다고 연구팀은 설명했다.

다중 셀 공진기 실물

일본 이화학연구소(RIKEN)·도쿄대 공동연구팀이 제공한 양자 증폭기(JPA)를 결합해 잡음을 최소화한 상태에서 극도로 미약한 신호를 증폭, 기존 단일 원통형 공진기보다 약 3배 높은 주파수 영역에서도 안정적인 탐색 성능을 확보했다.

연구진이 새로 개발한 공진기로 고주파 대역을 정밀 탐색한 뒤 데이터를 누적해 분석한 결과, 탐색 대역에서 액시온 존재 신호는 관측되지 않았다.

다만 유사 주파수 대역을 탐색한 해외 선도 연구 대비 약 2배 개선된 민감도를 달성하며, 세계 최고 수준의 탐색 성능을 확보하는 데 성공했다고 연구팀은 주장했다.

윤성우 CI는 "이번 성과는 다중 셀 공진기를 활용해 고주파 영역에서도 안정적이고 높은 감도의 탐색이 가능함을 실험적으로 입증한 결과"라며 "향후 탐색 범위를 본격적으로 확장할 기술 기반을 마련했다는 점에서 의미가 크다"고 말했다.

연구 결과는 국제학술지 '피지컬 리뷰 레터스'에 지난 17일 게재됐다.

kjunho@yna.co.kr

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