'피자 공진기'로 암흑물질 검출시간 확 줄였다

피자 모양 다중방 공진기 발명
주파 액시온 검출 시간 4분의 1로 단축

원통형 공진기를 피자처럼 나눈 새로운 공진기 디자인. 중심부 빈 공간(피자 세이버)에 안테나를 설치해 신호를 읽는다.

[아시아경제 황준호 기자] 암흑물질 후보인 엑시온의 고주파수 신호 검출 시간을 4분의 1로 줄이는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 기초과학연구원 액시온 및 극한상호작용 연구단의 윤성우 연구위원 연구팀은 액시온의 고주파수 신호를 효율적으로 검출하는 다중방 공진기를 개발했다. 관련 연구 성과는 미국 물리학회 저널인 피지컬 리뷰 레터스에 최근 실렸다.

피자 모양 다중 공진기 개발

공진기 디자인 발전사

이번 연구 결과는 차세대 액시온 실험의 고주파 신호 검출 효율을 획기적으로 높일 것으로 기대된다. 엑시온은 현대 물리학의 난제를 풀기 위해 만들어진 입자다. 액시온은 자기장을 만나면 마이크로파장의 전자기파로 변하는데, 이를 공명을 통해 검출할 수 있다. 자기장이 흐르는 공진기 안에서 액시온 신호가 발생하면 고유주파수와 일치하는 파동이 증폭되는 원리다. 이때 신호의 주파수를 결정하는 것은 액시온의 질량이다. 하지만 이 질량이 이론적으로 밝혀져 있지 않아, 모든 주파수 영역대를 실험할 수밖에 없다.

연구진은 원통형 공진기를 피자 모양으로 여러 개의 방으로 나눠, 고유주파수를 높이면서 부피는 최대화한 다중방 공진기를 고안했다. 방 개수가 많아질수록 더 높은 고유주파수를 얻을 수 있다. 또한 가운데에 방들이 서로 연결되는 빈 공간을 만들어, 한 개의 안테나로 공진기 전체 신호를 읽을 수 있게 했다.

4년 걸릴 연구 1년만에

실험 참여 연구진. 왼쪽부터 윤성우 연구위원, 김진근 전 연구위원, 정준우 학생연구원

연구진은 2년 동안 방대한 시뮬레이션과 시제품 테스트를 통해 피자 공진기의 디자인을 최적화하고 가공 오차 문제를 해결했다. 제작공정에서 아주 미세한 오차라도 발생하면, 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 최소화 했다.

연구진은 9 테슬라 초전도 자석과 방이 2개인 이중방 피자 공진기로 액시온 검출 실험을 진행한 결과, ADMX 탐색 영역보다 4~5배 높은 주파수 영역대를 3주 만에 검색할 수 있었다. 이는 기존 공진기로 3개월이 걸릴 실험이다.

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.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr