암흑물질의 존재와 더불어 또 다른 미스터리는 ‘오늘날 우주가 왜 물질로만 이뤄져 있는가?’라는 점이다. 초기 우주에서는 물질과 반물질이 거의 같은 양으로 생성됐을 것이라 추정하고 있다.

현재의 우주에 대해, 입자물리학에서는 물질이 반물질보다 압도적으로 우세한 이런 물질-반물질의 불균형을 CP라고 부르는 대칭성의 깨짐으로 설명한다. CP는 전하(Charge)와 공간 반전(Parity)을 뜻한다.

액시온은 강한 상호작용에서 발생하는 이 특정 대칭 불균형과 관련된 문제, 즉 대칭성이 깨져있을 거라는 이론적 예측과 이 대칭성이 보존되는 것처럼 보인다는 실험적 관측 사이의 차이를 해결해 줄 수 있는 가상의 입자이다.

액시온 입자의 존재는 우주의 물질-반물질 불균형과 암흑물질이라는 두 가지 근본적 미스터리를 동시에 해결할 열쇠가 될 수 있다.

암흑 물질 액시온은 그 고유한 진동 주파수에 맞는 공진기를 통해 탐색할 수 있다. 최근 암흑 물질 액시온의 질량을 예측하려는 이론적 연구들에 따르면, 현재 민감한 실험들이 다루고 있는 영역보다 더 높은 주파수대에서 탐색이 필요하다는 전망이 제기되고 있다.

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

연구팀은 음팽창 메타물질 구조를 활용해 회전 운동을 2차원 팽창과 수축 운동으로 전환하는 새로운 튜닝 메커니즘을 개발했다. 키리가미(kirigami)라는 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.

연구팀이 개발한 독특한 구조체는 극저온과 강한 자기장 환경에서도 작동 가능한 메타물질 기반 주파수 조정 장치이다. 앞으로 고주파 영역의 암흑 물질 액시온 탐색에 적극 활용될 것으로 기대된다.

KAIST 물리학과 배성재 박사과정과 IBS-CAPP 정준우 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구(논문명 : Search for Dark Matter Axions with Tunable TM020 mode)는 국제 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’ 11월 22일 133호에 실렸다. 

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