광활한 우주에서 우리가 눈으로 볼 수 있고 물리적으로 확인하는 물질은 불과 4.5%에 불과하다. 나머지 95%이상을 차지하는 암흑세계(암흑물질+암흑에너지)를 탐구할 수 있는 이론적 단초가 제시돼 주목된다.

IBS 순수물리이론 연구단(단장 최기운) 연구진이 학계에 새로운 포털의 존재를 알렸다. 이혜성 연구위원, 쿠니오 카네타(Kunio Kaneta) 연구위원, 윤석훈 인턴학생은 암흑물질의 후보입자인 액시온(Axion)과 가상입자인 암흑광자를 연결하는 포털의 가능성을 이론적으로 입증하는데 성공했다. 이번 연구결과는 10일 국제학술지 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 게재됐다.

눈에 보이는 자연계, 즉 우주의 4.5%를 차지하는 세계는 전자, 광자 등 서로 다른 17개의 기본 입자들로 이뤄져 있다. 이 기본 입자들을 체계적으로 정리한 이론이 바로 표준모형(standard model)이다. 나머지 95%이상의 영역은 우리 눈에 보이지 않는 그야말로 암흑의 세계다.

물리학자들은 '포털(portal)'의 개념을 빌어 암흑세계를 엿본다. 공상 과학영화에서 등장할 법한 포털은 암흑세계의 입자들을 표준모형 속 입자와 연결하는 일종의 소통 통로다. 암흑세계의 입자들은 자신들끼리만 상호작용한다. 중력 효과 외에는 존재를 확인할 길이 없다. 우리가 직접 입자를 검출하거나 탐색하는 게 힘들다. 하지만 이미 우리가 잘 알고 있는 표준모형의 입자들을 이용하면 가능성이 생긴다.

이번에 발견된 포털은 암흑세계의 입자와 표준모형의 입자가 약하게나마 상호작용할 수 있도록 가능성을 열어준다는 점에서 의미가 있다. 즉, 직접 볼 수 없는 암흑세계를 포털을 통해서 탐색하고 이해하는 길이 발견된 셈이다.

암흑물질 후보입자인 액시온은 액시온 포털에 기반해 이론이 세워지고, 검출 실험이 계획된다. 액시온 탐색 실험은 액시온이 한 쌍의 광자(photon)로 붕괴되는 이론(액시온 포털, 액시온-광자-광자 상호작용)에 근거한다.

암흑광자 연구에는 벡터 포털(vector portal)이 중요하게 사용되는데, 광자가 암흑광자로 변환할 수 있다는 가능성을 이용한다. 그간 액시온 포털과 벡터 포털은 각자 독립적으로 연구되고 있었는데, IBS 연구진은 이번 연구로 그 둘을 연결하는 것을 뛰어 넘어 새로운 포털을 고안했다.

교신저자인 이혜성 연구위원은 "이번 연구는 독립적으로 연구되던 액시온 연구와 암흑광자 연구, 두 분야를 잇는 유의미한 연결고리를 최초로 제시했다는데 의의가 있다"며 "액시온과 암흑광자를 연결하는 새로운 연구가 활발히 이뤄질 것으로 기대된다"고 말했다.