마침내 암흑 물질의 실체를 밝혀낼 수 있는 핵시계

토륨-229는 우주에 숨겨진 암흑 물질의 존재를 드러낼 만큼 민감한 핵시계의 열쇠를 쥐고 있을지도 모릅니다. 출처: AI/ScienceDaily.com

거의 한 세기 동안 전 세계 과학자들은 우주 질량의 약 80%를 차지하는 것으로 여겨지는 보이지 않는 물질인 암흑 물질을 찾아왔습니다. 암흑 물질은 다양한 물리 현상을 설명하는 데 필수적입니다. 입자 가속기에서 암흑 물질을 생성하는 것부터 우주에서 방출될 수 있는 우주선을 찾는 것까지, 암흑 물질을 감지하기 위한 수많은 방법이 시도되어 왔습니다. 그러나 오늘날까지도 이 물질의 근본적인 특성에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 암흑 물질은 배후에서 작용하지만, 가시광선 물질에 영향을 미치는 것으로 알려져 있지만, 그 영향은 매우 미묘하여 현재로서는 직접 측정할 수 없습니다.

과학자들은 원자핵을 이용하여 극도로 정밀하게 시간을 측정하는 핵시계가 개발된다면, 그 똑딱거리는 소리의 아주 미세한 불규칙성조차도 암흑 물질의 영향을 드러낼 수 있다고 믿습니다. 작년에 독일과 콜로라도의 물리학자들은 방사성 원소인 토륨-229를 이용하여 그러한 시계를 개발하는 데 획기적인 진전을 이루었습니다. 바이츠만 과학 연구소의 길라드 페레즈 교수 이론물리학 연구진은 이 성과를 접하고, 완전히 기능하는 핵시계가 현실화되기 전에도 암흑 물질 탐색을 발전시킬 새로운 기회를 포착했습니다. 최근 독일 연구팀과 협력하여 토륨-229 핵의 특성에 미치는 암흑 물질의 영향을 감지하는 새로운 방법을 제안하는 연구를 Physical Review X에 게재했습니다.

그네를 타는 아이를 미는 데 부드럽고 일관된 운동을 유지하기 위한 적절한 타이밍이 필요한 것처럼, 원자핵에도 최적의 진동 주파수가 있는데, 이를 물리학에서는 공명 주파수라고 합니다. 바로 이 주파수의 방사선은 원자핵이 진자처럼 두 양자 상태, 즉 바닥 상태와 고에너지 상태 사이를 "흔들게" 할 수 있습니다. 대부분의 물질에서 이 공명 주파수는 높아서 원자핵을 여기시키려면 강한 방사선이 필요합니다. 그러나 1976년, 과학자들은 미국 핵 프로그램의 부산물인 토륨-229가 예외적인 경우라는 것을 발견했습니다. 토륨-229의 고유 공명 주파수는 비교적 약한 자외선을 사용하는 표준 레이저 기술로 조작할 수 있을 만큼 낮았습니다. 이로 인해 토륨-229는 전통적인 시계의 진자처럼 원자핵이 양자 상태 사이를 "흔들면서" 시간을 측정하는 핵시계 개발에 유망한 후보가 되었습니다.

"핵시계는 중력보다 10조 배 약한 힘을 감지할 수 있는 궁극의 탐지기가 될 것이며, 오늘날 암흑 물질 탐색의 10만 배에 달하는 분해능을 제공할 것입니다."

그러나 핵시계의 진전은 과학자들이 토륨-229의 공명 주파수를 최고 정밀도로 측정하려던 바로 그 첫 단계에서 중단되었습니다. 원자핵의 공명 주파수를 결정하기 위해 물리학자들은 다양한 주파수의 레이저를 원자핵에 비추고 양자 상태 간 전이 과정에서 얼마나 많은 에너지를 흡수하거나 방출하는지 관찰합니다. 이러한 결과를 바탕으로 흡수 스펙트럼을 구성하고, 최대 흡수를 유발하는 주파수를 원자핵의 공명 주파수로 간주합니다.

거의 50년 동안 과학자들은 토륨-229의 공명 주파수를 핵시계를 만들 만큼 정밀하게 측정할 수 없었습니다. 하지만 작년에 두 가지 중요한 진전이 있었습니다. 첫째, 독일 국립계량연구소(PTB)의 한 연구팀이 비교적 정확한 측정 결과를 발표했습니다. 몇 달 후, 콜로라도 대학교 연구팀은 수백만 배 더 정밀한 결과를 발표했습니다.

페레즈는 "핵시계를 개발하려면 훨씬 더 정밀한 기술이 필요합니다."라고 말하며, "하지만 우리는 이미 암흑 물질을 연구할 기회를 발견했습니다."라고 덧붙였습니다. 그는 이렇게 설명합니다. "눈에 보이는 물질로만 구성된 우주에서는 모든 물질의 물리적 조건과 흡수 스펙트럼이 일정하게 유지될 것입니다. 하지만 암흑 물질이 우리를 둘러싸고 있기 때문에 파동과 같은 암흑 물질의 특성은 원자핵의 질량을 미묘하게 변화시키고 흡수 스펙트럼에 일시적인 변화를 일으킬 수 있습니다. 우리는 토륨-229의 흡수 스펙트럼에서 미세한 편차를 매우 정밀하게 감지할 수 있다면 암흑 물질의 영향을 밝혀내고 그 특성을 연구하는 데 도움이 될 것이라는 가설을 세웠습니다."

페레즈 연구팀의 볼프람 라칭거 박사와 다른 박사후 연구원들이 이끄는 연구팀이 수행한 이론적 계산에 따르면, 새로운 측정 결과는 암흑 물질의 영향이 중력보다 1억 배나 약하더라도 감지할 수 있음을 보여주었습니다. 중력은 그 자체로 약해서 일상생활에서 거의 접하지 않는 힘입니다. 라칭거 박사는 "아직 아무도 암흑 물질을 찾지 못한 영역입니다."라고 말했습니다. "저희 계산 결과, 공명 주파수의 변화만을 찾는 것만으로는 충분하지 않습니다. 암흑 물질의 영향을 감지하려면 전체 흡수 스펙트럼에 걸친 변화를 파악해야 합니다. 아직 그러한 변화를 발견하지는 못했지만, 변화가 나타날 때 이를 이해할 수 있는 토대를 마련했습니다. 편차를 감지하면 그 강도와 나타나는 주파수를 이용하여 원인이 되는 암흑 물질 입자의 질량을 계산할 수 있을 것입니다. 연구 후반부에서는 다양한 암흑 물질 모델이 토륨-229의 흡수 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는지 계산했습니다. 이를 통해 어떤 모델이 정확한지, 그리고 암흑 물질의 실제 구성 성분을 결정하는 데 도움이 되기를 바랍니다."

한편, 전 세계 연구소들은 토륨-229의 공명 주파수 측정 기술을 지속적으로 개선하고 있으며, 이 과정에는 수년이 걸릴 것으로 예상됩니다. 만약 핵시계가 개발된다면 지구 및 우주 항법, 통신, 전력망 관리, 그리고 과학 연구 등 여러 분야에 혁명을 일으킬 수 있습니다. 오늘날 가장 정확한 시간 측정 장치는 두 양자 상태 사이의 전자 진동에 의존하는 원자시계입니다. 원자시계는 매우 정밀하지만, 한 가지 중요한 단점이 있습니다. 바로 환경의 전기적 간섭에 취약하여 시계의 일관성에 영향을 미칠 수 있다는 것입니다. 반면 원자핵은 이러한 교란에 훨씬 덜 민감합니다.

과학 숫자

암흑 물질의 주요 모델에 따르면, 이 신비한 물질은 셀 수 없이 많은 입자로 이루어져 있으며, 각 입자의 질량은 단일 전자의 질량보다 최소한 1,000,000배 작습니다.

페레즈는 "암흑 물질에 관해서는 토륨-229 기반 핵시계가 최고의 탐지기가 될 것입니다."라고 말합니다. "현재 전기적 간섭으로 인해 원자시계를 탐색에 사용하는 데 한계가 있습니다. 하지만 핵시계는 그 똑딱거림의 극히 미세한 편차, 즉 공명 주파수의 미세한 변화까지 감지할 수 있게 해 주며, 이를 통해 암흑 물질의 영향을 밝혀낼 수 있습니다. 우리는 이를 통해 중력보다 10조 배 약한 힘을 감지할 수 있을 것으로 예상하며, 이는 현재 암흑 물질 탐색에 사용되는 것보다 10만 배 더 뛰어난 분해능을 제공할 것입니다."

유럽연구위원회(ERC)는 최근 페레즈 교수 연구팀에 이 연구 분야의 지속적인 발전을 지원하기 위한 ERC 선진 연구비(Advanced Grant)를 수여했습니다. 이 연구에는 독일 브라운슈바이크 소재 독일 국립계측연구소(PTB)와 하노버 라이프니츠 대학교의 엘리나 푹스 교수와 피오나 키르크 박사, 바이츠만 대학 입자물리학 및 천체물리학과 페레즈 연구팀의 에릭 매지 박사와 차이타냐 파란야페, 그리고 독일 브라운슈바이크 소재 독일 국립계측연구소(PTB)의 에케하르트 페이크 교수와 요하네스 티에다우 박사도 참여했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250807233056.htm