IBS, 표준연 개발 스퀴드 증폭기로 우주 속 암흑물질 찾기 도전

액시온 검출을 위한 냉각기
액시온 검출을 위한 냉각기

기초과학연구원(IBS)은 한국표준과학연구원이 개발한 `스퀴드(SQUID·초전도양자간섭소자)` 증폭기 기술을 암흑물질 검출 연구에 활용한다고 21일 밝혔다.

우주 속 암흑물질은 눈에 보이지 않고 중력만으로 그 존재를 감지할 수 있다. 과학계에 따르면 우리 눈에 보이는 우주는 5%에 불과하다. 나머지는 밝혀지지 않은 암흑물질(27%)과 암흑에너지(68%)다.

우리가 사는 태양계는 은하 주위를 빛의 속도보다 빠르게 회전하고 있다. 하지만 튕겨 나가지 않는 것은 우주 전체를 감싸고 있는 암흑물질의 중력 때문으로 과학계는 설명한다.

IBS 액시온 및 극한상호작용 연구단은 암흑물질을 구성하는 유력 후보물질인 `액시온(Axion)` 연구와 검출에 초점을 맞추고 있다. 세계 각국에서도 `윔프(WIMPs, 약하게 상호작용하는 질량이 큰 입자)` 등 암흑물질 후보 탐지를 위한 연구가 활발하다.

만약 암흑물질을 발견하면 입자물리학계의 혁명적인 사건이자 노벨상 수상감이다.

액시온은 질량이 가볍고 매우 약하게 상호작용하기 때문에, 이를 찾아내려면 우선 강력한 자기장을 걸어 액시온 장의 일부를 전자기파를 방출하는 광자로 바꿔야 한다. 이어 민감도가 높은 디텍터(탐지기)로 이를 검출해 내는 것이 액시온 검출 실험의 핵심이다.

표준연은 액시온이 내는 전자기파 신호를 잡아낼 수 있는 디텍터로 스퀴드 증폭기를 개발하고 있다. 스퀴드 증폭기는 전자기파를 노이즈없이 잡아 반도체 증폭기로 전달하는 역할이다.

반도체 증폭기는 미국, 스웨덴 등에서 군사용으로 널리 활용하고 있다.

반면 스퀴드 증폭기와 관련 기술은 최근 미국 워싱턴대 `액시온 암흑물질 실험단(ADMX)`이 일부 도입을 시도하고 있는 수준이다. 산업용이 아닌 연구 목적으로만 쓰이기 때문에 관련 기술 개발도 전무한 상황이다.

표준연이 개발한 스퀴드 증폭기는 IBS연구단 액시온 검출 실험시설에 설치된다. IBS연구단은 초전도 자석과 검출 실험 과정에서 열을 낮출 수 있는 극저온 냉동기 등 다른 장비와 함께 내년 9월까지 구축할 예정이다. 계획대로 설비 구축을 완료하면 2018년에는 액시온 검출을 위한 의미 있는 데이터를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

이용호 표준연 박사는 “2년여 연구 끝에 증폭률은 높고 노이즈는 작은 스퀴드 증폭기 프로토타입(시제품)을 개발했다”고 말했다.

대전=박희범 과학기술 전문기자 hbpark@etnews.com