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2025-04-22 (화)

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[우주의 속삭임(111)] '우주 라디오'로 암흑물질 추적⋯액시온 주파수 탐지 장치 개발

우주의 대부분을 구성하는 것으로 알려진 암흑물질 탐색에 새로운 전기가 마련됐다. 과학자들이 '우주 라디오'에 비유되는 신형 암흑물질 검출기를 개발해, 향후 15년 이내 암흑물질 후보자인 '액시온(axion)'을 직접 포착할 가능성이 열렸다. 영국 킹스칼리지런던(KCL), 미국 하버드대, UC버클리 등 국제 공동 연구팀은 지난 16일(현지시간) 국제 학술지 네이처(Nature)에 발표한 논문에서 엑시온의 주파수를 포착하기 위한 특수 장비와 새로운 소재 기반의 탐색 기술을 소개했다. 해당 연구에 대해서는 과학 기술전문매체 사이테크 데일리가 보도했다. 연구팀은 이 장치에 대해 "40년 넘게 추적해 온 암흑물질의 실체를 규명할 수 있는 마지막 단계에 접어들었다"고 평가했다. 암흑물질은 우주 전체 질량의 약 85%를 차지하는 것으로 추정되며, 별이나 은하의 운동 등 중력 효과로 간접적으로만 존재가 추정되어 왔다. 하지만 직접 관측은 한 번도 성공한 적이 없다. 이번 연구에서 핵심이 된 입자인 '액시온'은 매우 가볍고, 일반 물질과의 상호작용이 극히 적어 포착이 어렵다고 알려져 있다. 이 입자는 파동처럼 행동하며 특정 주파수 대역에 존재할 수 있다고 이론상 제안돼 왔다. 연구진은 이론상 존재할 것으로 추정되는 액시온 주파수를 탐지하기 위해, '액시온 준입자(AQ, axion quasiparticle)'를 생성할 수 있는 특수 소재를 활용했다. 해당 장치는 일종의 '우주 라디오'처럼 작동해, 액시온이 존재할 법한 주파수를 조율하며 탐색을 진행한다. 탐지 시에는 미량의 빛을 방출하게 되며, 이는 액시온 존재를 확인할 수 있는 간접 신호가 된다. 이 장치의 핵심 소재는 망간비스무트텔루라이드(MnBi₂Te₄)로, 전자기적 특성이 뛰어나고 얇은 2차원 구조로 가공이 가능하다. 하버드대 주도하에 6년간 개발된 이 소재는 공기에 민감해 원자 수준의 얇은 층으로 정밀 제작됐으며, 외부 자극에 따라 전자적 성질이 정밀하게 조정될 수 있다. 연구책임자인 KCL의 데이비드 마시(David Marsh) 박사는 "1983년 액시온이 라디오 주파수처럼 작동할 수 있다는 이론이 제기된 이후, 우리는 이제 그 주파수를 실제로 조율할 수 있는 기술에 도달했다"며 "남은 건 탐지 범위를 확대하고, 시간을 들여 탐색하는 일"이라고 설명했다. 연구팀은 향후 5년 안에 실용적 수준의 AQ 검출기를 완성하고, 이후 10년 이상 고주파 영역을 정밀 수캔해 액시온을 찾겠다는 계획이다. 이번 검출기는 암흑물질의 규명이라는 물리학 최대 난제 중 하나에 결정적 단서를 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 마시 박사는 "최근 액시온을 주제로 한 논문 수가 힉스 보손 발견 직전과 비슷한 수준에 이르렀다"며 "지금은 암흑물질 연구자들에게 흥미로운 시기"라고 덧붙였다. ◇ 참고문헌: '2D MnBi2Te4에서 액시온 준입자 발견(Observation of the axion quasiparticle in 2D MnBi2Te4)' by Jian-Xiang Qiu, Barun Ghosh, Jan Schütte-Engel, Tiema Qian, Michael Smith, Yueh-Ting Yao, Junyeong Ahn, Yu-Fei Liu, Anyuan Gao, Christian Tzschaschel, Houchen Li, Ioannis Petrides, Damien Bérubé, Thao Dinh, Tianye Huang, Olivia Liebman, Emily M. Been, Joanna M. Blawat, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Kin Chung Fong, Hsin Lin, Peter P. Orth, Prineha Narang, Claudia Felser, Tay-Rong Chang, Ross McDonald, Robert J. McQueeney, Arun Bansil, Ivar Martin, Ni Ni, Qiong Ma, David J. E. Marsh, Ashvin Vishwanath and Su-Yang Xu, 2025년 4월 16일, Nature. DOI: 10.1038/s41586-025-08862-x
- 포커스온
2025-04-22 09:58:00
과학이 풀어야 할 가장 큰 미스터리 5가지

과학은 세상에 대한 우리의 이해를 크게 발전시켰지만, 여전히 많은 미스터리가 남아 있다. 특히 우주의 기원이나 지구의 생명의 기원등은 가설은 많지만 아직까지 명확한 답이 나오지 않고 있다. 스페인 매체 마스 인포르마시온(Mas informacion)은 과학자들이 여전히 답을 찾지 못하고 있는 다섯 가지 핵심 질문을 소개했다. 1. 우주의 구성 요소는 무엇인가? 우주의 신비는 우리가 기존에 인지하고 있던 것보다 훨씬 더 깊고 복잡하다. 우리가 알고 있는 우주를 구성하는 물질은 전체의 약 5%에 불과하며, 나머지 약 95%는 미지의 영역인 암흑물질과 암흑에너지로 채워져 있다. 암흑물질은 우주 전체의 약 27%를 차지할 것으로 추정되는, 관측되지 않는 물질이다. 이 물질은 중력의 영향을 미치며, 우주의 팽창을 억제하는 중요한 역할을 한다. 암흑에너지는 우주의 약 68%를 구성하는 것으로 추정되며, 관찰할 수 없는 에너지 형태이다. 암흑에너지는 우주의 팽창을 가속화하는 데 결정적인 역할을 하는 것으로 여겨진다. 우주의 심오한 미스터리를 풀기 위해, 암흑물질과 암흑에너지의 본질을 밝히는 것은 중대한 과학적 과제로 남아 있으나, 현재까지 이들의 정체에 대한 명확한 답은 아직 발견되지 않았다. 암흑물질의 잠재적 후보로는 중성미자, 윔프(WIMP), 액시온(axion) 등이 거론되고 있다. 중성미자는 전하를 갖지 않아 빛을 발하지 않으며 질량이 있어 관측이 어렵다. 윔프는 그 무거운 질량과 강력한 중력으로 인해 우주의 구조 형성에 기여할 것으로 추정된다. 액시온은 중력과 전자기력 사이의 힘을 가짐으로써 우주의 팽창에 영향을 미칠 수 있다고 여겨진다. 암흑에너지의 가능한 후보로는 진공 에너지, 쿼크-글루온 플라즈마, 반물질 등이 제시되고 있다. 진공 에너지는 우주 공간 자체에 내재된 기본적인 힘의 에너지 형태로, 쿼크-글루온 플라즈마는 초기 우주의 고온 상태에서 존재했던 물질이다. 반물질은 물질과 상호작용하여 완전히 소멸되는 특성을 지니며, 이 과정은 우주 팽창에 중요한 역할을 할 수 있다. 과학자들은 이러한 후보들을 관측하고 실험을 통해 그 본질을 밝히려는 지속적인 노력을 기울이고 있으나, 아직까지는 이들의 정확한 성질과 역할에 대한 확실한 결론을 내리지 못하고 있다. 2. 생명은 어떻게 생겨났나? 생명의 기원은 과학계가 오랜 시간 동안 탐구해온 가장 심오한 미스터리 중 하나다. 지구상의 생명체가 어떻게 탄생했는지에 대해서는 아직도 명확한 해답이 제시되지 않았다. 과학자들은 다양한 이론을 제시하고 있으나, 아직까지 어느 하나의 가설도 정설로 자리 잡지 못하고 있다. 가장 널리 인정받는 가설 중 하나는 '원시 수프(Primordial soup)' 이론이다. 이 이론은 초기 지구의 바다가 생명체 형성에 필수적인 단순 화학 물질로 가득 차 있었고, 대기 중의 가스와 번개 에너지의 결합으로 아미노산과 같은 단백질 구성 요소가 형성될 수 있었다고 주장한다. 1920년대에 알렉산더 오파린과 J.B.S. 할데인이 제안한 이 가설은 이후 실험을 통해 그 타당성이 일부 입증됐다. 대표적인 예로, 1953년 스탠리 밀러와 하럴드 우레이는 초기 지구의 환경을 모사한 실험을 통해 아미노산의 합성에 성공했다. 하지만 원시 수프 가설에는 여전히 미해결의 문제가 존재한다. 아미노산이 우연히 결합하여 복잡한 생명체로 발전할 수 있는지에 대한 의문, 그리고 원시 수프에서 생명체가 어떻게 진화했는지에 대한 설명이 미흡하다는 지적이 있다. 또한, 지구 생명체의 기원에 대한 다른 이론도 존재한다. 일부 과학자들은 우주에서 온 운석이나 혜성에 생명의 씨앗이 실려 지구에 도착했을 가능성을 제시하는 '판스페르미아(Panspermia)' 이론을 주장한다. 이처럼 생명의 기원에 대한 탐구는 여전히 과학계의 중요한 도전 과제로 남아 있다. 3. 무엇이 우리를 인간으로 만드는가? '무엇이 우리를 인간으로 정의하는가?'는 과학과 철학의 경계를 넘나드는 깊이 있는 질문이다. 인간은 다른 동물들과 구별되는 특유의 특성들을 가지고 있지만, 이러한 특성들이 무엇인지에 대한 명확한 합의는 아직 이루어지지 않았다. 언어 사용, 도구 활용, 추상적 사고, 자기 인식 능력 등은 전통적으로 인간만의 고유한 특성으로 여겨져 왔다. 하지만, 최근의 과학 연구는 다른 동물들 또한 이러한 특성들을 어느 정도 보유하고 있음을 증명하고 있다. 예를 들어, 코끼리는 복잡한 의사소통을 위해 고유의 언어 체계를 사용하며, 침팬지는 도구를 사용해 먹이를 얻거나 사냥하는 능력을 지니고 있다. 돌고래는 추상적인 사고를 할 수 있으며, 침팬지는 거울을 통해 자신을 인식하는 자기 인식 능력을 갖추고 있다고 알려져 있다. 이러한 발견들은 인간과 다른 동물들 사이의 경계가 생각보다 모호하다는 것을 시사하며, 인간을 정의하는 것이 단순한 문제가 아님을 보여준다. 인간의 독특한 특성들에 대한 이해는 계속해서 진화하고 있으며, 이는 우리가 인간성에 대해 더 깊이 고민하고 탐구해야 함을 의미한다. 한편으로는, 인간을 특별하게 만드는 요소가 단일 특성이 아니라, 여러 특성들의 복합적인 상호작용이라는 주장이 제기되고 있다. 이에 따르면, 인간은 언어를 통한 복잡한 의사소통 능력, 도구를 활용한 환경 변형 능력, 그리고 추상적 사고를 통해 새로운 것을 창조하는 능력을 결합하여 독특한 문화와 사회 구조를 형성하였다는 것이다. 이러한 능력들의 결합은 인간만의 특별한 문화적, 사회적 발전을 가능하게 했다. 인간의 언어 사용 능력은 복잡한 의사소통과 지식 전달을 가능하게 했으며, 도구 사용 능력은 환경을 변화시키고 적응하는 방법을 혁신적으로 발전시켰다. 또한, 추상적 사고는 예술, 과학, 철학 등 인간만의 다양한 창조적 영역을 탄생시켰다. 그럼에도 불구하고, 인간을 인간답게 만드는 근본적인 요소가 무엇인지에 대한 질문은 여전히 해결되지 않은 미스터리로 남아 있다. 4. 의식이란 무엇인가? 의식은 인간 존재의 가장 심오하고 미스테리한 특성 중 하나로 여겨진다. 우리는 아직 의식이 구체적으로 무엇이며, 그것이 어떻게 기능하는지 완전히 이해하지 못하고 있다. 의식은 뇌의 복잡한 기능과 밀접하게 연관되어 있을 것으로 추측되지만, 뇌의 어떤 부분이 의식을 조절하는지, 그리고 의식이 어떻게 형성되고 발현되는지에 대한 구체적인 메커니즘은 아직 명확하게 밝혀지지 않았다. 의식은 우리가 세계를 인식하고 경험하는 방식의 핵심을 이루며, 이에 대한 깊은 이해는 인간 본성과 지적, 정서적, 영적 측면에 대한 우리의 이해를 크게 향상시킬 것으로 기대된다. 의식에 대한 연구는 인간 뇌의 복잡성과 그 신비를 탐구하는 과정에서 핵심적인 역할을 하며, 이는 인지 과학, 신경학, 철학, 심리학 등 여러 학문 분야에 걸쳐 진행되고 있다. 5. 우리는 왜 꿈을 꾸는가? 인간이 꿈을 꾸는 이유는 심리학과 신경과학의 오랜 미스터리 중 하나이며, 이에 대한 확실한 답변은 아직 없다. 꿈에는 여러 가설이 존재하고 있다. 예를 들어, 무의식의 표현에 관한 가설은 꿈이 우리의 억압된 감정과 생각을 드러내는 역할을 한다고 주장한다. 기억 정리와 학습 지원에 관한 가설은 꿈이 기억을 재구성하고 새로운 정보를 처리하는 데 중요한 역할을 한다고 설명한다. 스트레스 해소 기능에 관한 가설은 꿈이 심리적 압박을 완화하고 정서적 균형을 찾는 데 도움을 준다고 주장한다. 그러나 이러한 가설들 중 어느 것도 아직 확실하게 입증되지 않았다. 꿈은 인간의 정신적, 감정적 삶에 중요한 영향을 미친다. 꿈은 우리의 무의식을 반영하고, 내면을 이해하는 데 도움을 줄 뿐만 아니라, 창의적 사고와 문제 해결 능력에도 기여할 수 있다. 그러나 꿈의 본질과 목적에 대한 신비는 여전히 베일에 싸여 있다. 이와 같은 질문들에 대한 답은 과학이 발전함에 따라 점차 밝혀질 것으로 기대되지만, 그 과정은 간단하지 않을 것이다. 과학자들은 새로운 기술과 방법론을 개발하고, 기존 가설들을 실험적으로 검증함으로써 꿈의 신비를 풀기 위해 지속적으로 노력하고 있다.
- 생활경제
2024-01-22 11:47:00