소개

Center for Axion and Precision Physics

액시온 및 극한상호작용 연구단 (CAPP)은 암흑물질 액시온 (Dark-Matter Axion)의 존재를 탐색할 것입니다.

액시온 및 극한상호작용 연구단 (CAPP)은 기초과학연구원 (IBS)의 지원으로 세워졌습니다. 우리 연구단은 대전 한국과학기술원 문지캠퍼스에 위치하고 있으며, 최첨단의 액시온 암흑물질 (Axion Dark Matter) 연구를 위해 설립되었습니다. 또한 우리 연구단은 양성자 전기 쌍극자 모멘트 실험 (Proton Electric Dipole Moment Experiment)에 선도적인 역할을 하며 전 세계 곳곳에서 수행되는 액시온 (Axion), 암흑물질 (Dark Matter), 전기 쌍극자 모멘트 (EDM), 뮤온 (Muon g-2)실험에 적극 참여할 것입니다.

최근의 실험결과들에 의해, 암흑물질 (Dark Matter)이 우주 에너지의 약 27%를 구성하고 있다는 것이 알려졌습니다. 이 중 액시온 (Axion)이나 가장 가벼운 초대칭 입자 (Lightest Super-Symmetric Particle)와 같이 약한 상호작용을 하는 소립자들 (Weakly Interacting Massive Particles: WIMPs)이 이러한 암흑물질을 구성하는 후보로 대두되었습니다. (이러한 흐름에 따라, 현재 기초과학연구원 (IBS)의 지하실험 연구단 (CUP: Center for Underground Physics)을 비롯한 전 세계 많은 연구집단이 약한 상호작용을 하는 소립자 (WIMPs)를 발견하고자 많은 노력을 기울이고 있습니다.) 액시온 (Axion)의 존재는 소립자 간의 강한상호작용 이론 (Theory of Strong Interactions)이 특정 대칭 (P-parity 와 T-time Reversal)의 위반을 예측함에도 불구하고, 중성자의 전기 쌍극자 모멘트 (Electric Dipole Moment: EDM)의 한계가 예상보다 10배나 더 작게 나타나는 문제를 해결하기 위해 제기되었습니다.

무거운 액시온 (Massive Axion)은 여러 실험과 천체물리학적 한계에 의해 그 존재가능성이 제외되고 있습니다. 그러나 한국의 저명한 이론물리학자인 김진의 교수는 가벼운 중량의 액시온 (Light-Mass Axion) 또한 영향을 미칠 수 있다고 가설을 제기했습니다. 가벼운 중량의 액시온들 (Light Axions)이 우주의 암흑물질을 구성하고 있다는 가설의 설득력을 높여줍니다. 현재 10^-3meV and 1meV 사이 중량의 액시온이 이상적인 암흑물질 후보 (Dark Matter Candidates) 라고 추정되고 있습니다. 질량에 따라 차이는 있겠지만, 약 0.3GeV/㎤의 암흑 물질 밀도를 만족하기 위해서 단위부피당 약 10¹⁴의 액시온 (10¹⁴axios/㎤)이 존재하는 것으로 추정됩니다.

우리 연구단은 암흑물질 액시온 (Dark-Matter Axion)의 존재를 탐색할 것 입니다. 이를 위해 우리 연구단은 P. Sikivie 교수에 의해 제기된 연구방법을 사용하여 큰 부피, 고자기 장 (High Magnetic Field), 최상급의 마이크로파 공명관 (Microwave Cavity) 속에서 액시온 (Axion)을 마이크로파 광자 (Microwave Photons)로 변환하는 실험을 수행할 것입니다. 이뿐만 아니라 우리 연구단의 액시온 연구에 설득력을 높일 수 있는 다른 기하학구조 (Geometries)들에 대해서도 탐구할 것입니다. 액시온 마이크로파 실험 (Axion Microwave Experiment)은 최고의 장비와 기술을 사용하는 카이스트 캠퍼스에서 이루어질 것입니다. 이 실험에서 예상되는 전환율은 10^-23W로 매우 낮을 것이며 이것은 우리 연구단이 액시온 (Axion)을 실제 실험 상에서 만들 수 있는 가장 희미한 신호입니다.

만일 액시온 (Axion)이 발견된다면, 새로운 물리학 분야인 액시온 천체물리학 (Axion Astrophysics)이 출범할 것입니다. 이는 우주와 암흑물질 역학 (Dark-Matter Dynamics)에 대한 지식의 새로운 지평을 열 것입니다.

우리 연구단은 또한 세계 최고의 하드론 전기 쌍극자 모멘트 (Hadron EDM) 실험을 통해 10^-29 ecm 수준까지 이르는 민감도를 (수천배 가량) 향상시킬 수 있는 스토리지 링 양성자 전기쌍극자 모멘트 (Storage Ring Proton EDM) 실험 분야에서 주도적인 역할을 것입니다. 성공적인 양성자 전기 쌍극자 모멘트 (Proton EDM) 실험은 우주의 물질 – 반물질 비대칭 (Matter-Anti-matter Asymmetry) 신비를 푸는 데 도움이 될 것입니다.