우리가 눈으로 볼 수 있는 물질은 전체 우주의 5%를 차지하는데 그친다. 이 세계는 전자, 광자 등 서로 다른 17개의 기본 입자들로 구성되어 있다. 이 기본 입자들을 체계적으로 정리한 이론이 바로 표준모형(standard model)이다. 나머지는 밝혀지지 않은 암흑물질(27%)과 암흑에너지(68%)로 구성돼 있다. 암흑물질의 후보 물질로 액시온을 비롯해 ‘비활성 중성미자’, ‘윔프’(WIMPs) 등이 거론되고 있으며, 전 세계에서 이를 확인하기 위한 실험이 진행되고 있다.

물리학자들은 이들 암흑세계의 입자를 ‘포털(Portal)’이라는 개념을 빌어 탐색한다. 포털은 암흑 세계의 입자들을 표준모형 속 입자와 연결하는 소통 통로와 같다. 포털은 암흑세계의 입자와 표준모형 입자가 약하게나마 상호작용할 수 있도록 가능성을 열어준다.


기초과학연구원(IBS)은 순수물리이론연구단 이혜성 연구위원 연구팀이 암흑물질의 유력한 후보입자인 액시온(Axion)과 가상 입자인 암흑광자(dark photon)를 연결하는 포털의 존재 가능성을 이론적으로 입증하는데 성공했다.

현재 액시온 탐색 실험에 이용되는 액시온 포털은 액시온이 한 쌍의 광자로 붕괴된다는 액시온-광자-광자 상호작용에 근거한다. 액시온 포털은 표준 모형에 없는 새롭고 무거운 쿼크(quark)가 존재한다는 가정에서 출발한다. 매개입자인 무거운 쿼크가 바로 암흑광자와 직접 상호작용할 수 있다는 가능성에 착안한 결과, 액시온-광자-암흑광자 상호작용의 크기를 도출해내는 데 성공했다.

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

이번 연구에는 쿠니오 카네타 IBS 연구위원, 윤석훈 한국과학기술원(KAIST) 학생 등이 제1저자로 참여했으며, 연구 성과는 국제 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’(Physical Review Letters) 지난 10일 자에 실렸다.

/문병도기자 do@sedaily.com