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핵융합 플라즈마에서 방출된 고에너지 중성자가 리튬이 함유된 원자로 벽과 충돌할 때 가상의 액시온(Axion)이 생성될 수 있다

물리학자들이 '빅뱅 이론'의 난제를 해결했다!
핵융합로에서 암흑 물질 입자 검출 가능성 발견

놀랍게도 물리학자들이 TV 시리즈 '빅뱅 이론'의 주인공들을 괴롭혔던 문제를 해결했다. 바로 핵융합로에서 암흑 물질 입자가 생성되고 검출될 수 있는지에 대한 의문이었다. 이번 계산 결과에 따르면, 핵융합 플라즈마에서 방출된 고에너지 중성자가 리튬이 함유된 원자로 벽과 충돌할 때 가상의 액시온(Axion)이 생성될 수 있으며, 이 입자들은 원자로 벽 외부에 설치된 검출기로 검출될 수 있는 것으로 나타났다. 

▲ 지금까지는 가설로만 존재했던 액시온은 시트콤 "빅뱅 이론"의 주인공들조차 궁금해했던 입자들이다. © mrspopman/ Getty Images

액시온은 여전히 ​​수수께끼로 남아 있는 암흑 물질 입자의 유력한 후보로 여겨진다. 현재 이론에 따르면, 이 "암흑 보손"은 질량이 거의 없고 일반 물질과 거의 상호작용하지 않는다. 액시온은 광자가 강한 자기장에 노출될 때 생성될 수 있으며, 반대로 이러한 조건에서 다시 광자로 변환될 수도 있다고 알려져 있다. 물리학자들은 이미 이러한 변환을 감지하도록 설계된 다양한 검출기와 액시온 "포획 장치"를 제작했다.

"빅뱅 이론" 속 액시온 문제

TV 시리즈 "빅뱅 이론"의 물리학자 주인공인 셸던 쿠퍼(Sheldon Cooper)와 레너드 호프스태더(Leonard Hofstadter) 역시 액시온과 그 검출에 대해 고심했다. 시즌 5의 세 에피소드에서, 물리학자들이 함께 사는 아파트 거실의 화이트보드에 단서가 숨겨져 있다. 거기에는 태양에서 액시온이 생성되는 과정을 설명하는 공식과 그림이 그려져 있는데, 이는 핵융합로에서 검출 가능할 만큼 충분한 액시온이 생성될 수 있는지에 대한 의문을 제기했다.

▲ 시트콤 "빅뱅 이론"에서 셸던 쿠퍼와 레너드 호프스태더의 거실 모습이다. 배경의 화이트보드에는 시리즈 세 에피소드에 등장하는 핵융합로에서 생성되는 액시온의 공식과 도표가 적혀 있다. © Benoît Prieur/ CC0 퍼블릭 도메인

"셸던 쿠퍼와 레너드 호프스태더는 핵융합 플라즈마에서 액시온이 생성되는 것을 고려했다"고 이스라엘 하이파(Haifa)에 있는 테크니온(Technion)의 차자 바루크(Chaja Baruch)와 동료들은 설명했다. "하지만 안타깝게도 이 플라즈마는 충분히 강한 액시온 플럭스를 생성하지 못한다." 이 시리즈에서 두 주인공은 공식 아래에 슬픈 스마일 얼굴을 그려 넣어 실패를 기록했다.

▲ 액시온은 ITER의 다층 구조 원자로 벽에서 생성될 수 있다. © ITER

핵융합 중성자와 원자로 벽

바루크와 그의 연구팀은 "빅뱅 이론"의 두 물리학자와는 다른 접근 방식을 취했다. 그들은 프랑스에 건설된 ITER와 같은 토카막 핵융합로의 내부 벽에서도 액시온이 생성될 수 있는지 조사했다. "이러한 중수소-삼중수소 핵융합로에서는 고에너지 중성자 흐름에 의해 플라즈마 에너지의 일부가 방출된다"고 물리학자들은 설명했다.

이 중성자 흐름은 핵융합로의 리튬이 풍부한 벽, 즉 '증식 블랭킷'과 만난다. "이 중성자 중 일부는 리튬과 반응해 삼중수소를 생성하고, 더 많은 핵융합 연료를 생산한다"고 연구팀은 설명한다. "하지만 중성자가 증식 블랭킷과 상호작용하는 과정에서 암흑 물질 입자도 생성될 수 있다." 만약 암흑 물질이 존재한다면, 이 입자에는 액시온이 포함될 수 있다.

▲ 그림 1. 핵융합 시설에서의 새로운 물리 현상 생성 및 탐지 과정을 나타낸 개략도. (출처: Searching for exotic scalars at fusion reactors, JHEP. October 27 2025)

액시온으로 가는 두 가지 경로

물리학자들이 밝혀낸 바에 따르면, 액시온은 핵융합로에서 두 가지 방식으로 생성될 수 있다. 첫째, 핵융합 플라즈마 내 입자들의 상호작용을 통해 암흑 물질 입자의 제동복사*(Bremsstrahlung)가 방출될 수 있다. 바루크 연구팀은 "둘째, 암흑 물질 입자는 원자로 벽의 원자핵에 의한 중성자의 흡수 또는 산란을 통해서도 방출될 수 있다"며 "두 과정 모두 원자로 벽 바깥쪽에서 검출 가능한 특이한 입자의 흐름을 생성할 것이다"고 설명했다.
*원자핵과 같은 또다른 전하를 띤 입자에 의해 전자와 같은 전하를 띤 입자가 편향될 때 입자의 감속으로 생성된 전자기 복사

▲ 그림 2. 스핀-0 입자 생성(왼쪽) 및 검출(오른쪽) 메커니즘. (출처: Searching for exotic scalars at fusion reactors, JHEP. October 27 2025)

계산에 따르면, 핵융합로 외벽에 설치된 검출기는 이러한 "암흑 보손"을 검출할 수 있어야 한다. 단, 액시온이 존재하고 충분한 시간 동안 측정이 이루어진다는 전제하에 말이다. 액시온은 물질과의 상호작용이 약하기 때문에 장시간 측정을 통해서만 검출될 가능성이 높다. 물리학자들은 "현재 및 미래의 핵융합로에서 수년간의 탐색을 통해 암흑 스칼라 및 유사 스칼라 입자의 탐색 범위를 좁힐 수 있을 것"이라고 밝혔다.

숨겨진 의미의 '이스터 에그(Easter Egg 부활절 달걀)'에서 실제 측정까지

연구진에 따르면, 프랑스의 ITER 시험로와 그 후속 원자로에서 이루어지는 측정은 언젠가 가상의 액시온이 실제로 존재하는지를 밝혀낼 수 있을 것이라고 한다. 신시내티 대학교의 수석 저자인 주레 주판(Jure Zupan)은 "이번 연구의 기본 원리는 이미 오래전 시트콤 '빅뱅 이론'에서 다뤄졌지만, 셸던과 레너드는 명확한 결론을 내리지 못했다"고 말했다. 새로운 계산 결과는 이러한 입자가 핵융합로에서 실제로 생성되며 검출될 가능성이 있음을 보여준다.

'빅뱅 이론'에 등장하는 공식과 도표들은 시리즈의 '이스터 에그' 중 하나로, 주인공들이 명시적으로 언급하지는 않지만 물리학 전문가라면 알아볼 수 있는 것들이다. 주판은 "이 시리즈가 연구자들에게 매력적인 이유는 바로 이렇게 여러 겹의 의미를 담고 있기 때문이다"고 덧붙였다.

참고: Journal of High Energy Physics, 2025; doi: 10.1007/JHEP10(2025)215)
출처: University of Cincinnati

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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