암흑 물질(dark matter)은 빅뱅 우주론의 핵심 요소이며 현재 우주 에너지-질량의 약25％를 차지하는 우주의 주요 성분이라는 것이 알려져 있지만, 입자 물리 표준 모형으로 설명이 불가능합니다. 암흑 물질은 우주의 주요 구성 물질이라는 중요성에 비해 빛과 상호 작용하지 않는 질량을 가진 입자라는 것 이외에 알려진 특성은 거의 없습니다. 따라서 그 정체 파악은 입자 및 천체 물리학의 핵심 난제 중 하나입니다.

기존 암흑 물질 탐색은 이론과 실험 모두 GeV-TeV 수준의 질량을 가지는 소위 약하게 상호작용하는 무거운 입자(weakly interacting massive particle: WIMP)에 주로 초점을 맞추어 왔습니다. 하지만 이를 탐색하기 위한 놀라운 수준의 실험적 발전에도 불구하고 윔프(WIMP) 암흑 물질임을 확신할 수 있는 신호는 전혀 발견하지 못하였습니다. 본 연구는 윔프 패러다임을 넘어서 가벼운 암흑 물질을 탐색하기 위한 새로운 접근법을 제시하는 것을 목표로 합니다.

이를 위해 가벼운 암흑 물질과 2차원 양자 물질인 그래핀의 상호작용에 대해 이해하고, 실험 데이터 분석에 활용할 시뮬레이션 툴을 개발하려고 합니다. 이를 바탕으로 그래핀에 초전도 나노 소자 집적 기술을 결합하여 검출 임계 에너지를 획기적으로 낮출 수 있는 방법을 제시하고, 가벼운 암흑 물질 탐색을 위한 검출기를 세계 최초로 실현하고자 합니다.

본 연구의 극도로 작은 에너지 신호를 측정할 수 있는 검출기 개발을 통한 가벼운 암흑 물질의 탐색은 우주 역사와 구조에 대한 더 깊은 이해를 도울 수 있습니다. 더 나아가 암흑 물질에 대한 이해는 입자 물리, 천체 물리, 우주론을 아우르는 분야의 발전에 기여할 수 있다. 또한 본 과제를 통해 발전된 소자 기술은 양자 센서 기술을 포함한 양자정보과학 및 양자 산업 전반에 파급효과가 기대됩니다.