남극 근처 1제곱킬로미터에 분산된 수천 개의 센서는 물리학의 가장 큰 질문 중 하나인 양자 중력이 존재합니까?에 답하는 임무를 맡고 있습니다. 센서는 외계에서 지구에 도착하는 중성미자(전하가 없고 질량도 거의 없는 입자)를 모니터링합니다. 코펜하겐 대학교 닐스 보어 연구소(NBI) 팀은 중성미자 데이터를 활용하여 양자 중력이 존재하는지 밝히는 방법을 개발하는 데 기여했습니다.
“우리가 믿는 대로 양자 중력이 실제로 존재한다면 이는 물리학에서 현재의 두 세계를 통합하는 데 기여할 것입니다. 오늘날 고전 물리학은 중력과 같은 일반적인 환경의 현상을 설명하는 반면, 원자 세계는 양자역학을 통해서만 설명할 수 있습니다.
“양자 이론과 중력의 통합은 기초 물리학에서 가장 뛰어난 과제 중 하나로 남아 있습니다. 우리가 그 목적에 기여할 수 있다면 매우 만족스러울 것입니다.”라고 NBI 조교수인 Tom Stuttard는 말합니다.
Stuttard는 저널에 게재된 기사의 공동 저자입니다. 자연 물리. 이 기사는 NBI 팀과 미국 동료들의 대규모 연구 결과를 제시합니다. 300,000개 이상의 중성미자가 연구되었습니다.
그러나 이것은 깊은 우주의 근원에서 유래한 가장 흥미로운 유형의 중성미자가 아닙니다. 이 연구에서 중성미자는 우주에서 온 고에너지 입자가 질소나 다른 분자와 충돌하면서 지구 대기에서 생성되었습니다.
“지구 대기에서 발생하는 중성미자를 살펴보면 외계의 중성미자보다 훨씬 더 흔하다는 실용적인 이점이 있습니다. 우리의 방법론을 검증하려면 많은 중성미자로부터 얻은 데이터가 필요했습니다. 이제 이 일이 성취되었습니다. 따라서 우리는 깊은 우주에서 중성미자를 연구하는 다음 단계로 들어갈 준비가 되었습니다.”라고 Stuttard는 말합니다.
방해받지 않고 지구를 여행하다
IceCube 중성미자 관측소는 남극 대륙의 아문센-스콧 남극 관측소 옆에 위치해 있습니다. 대부분의 다른 천문학 및 천체 물리학 시설과 달리 IceCube는 지구 반대편, 즉 북반구의 우주를 관찰하는 데 가장 적합합니다. 그 이유는 중성미자가 지구를 완벽하게 관통할 수 있고 심지어 뜨겁고 밀도가 높은 핵까지도 관통할 수 있는 반면 다른 입자는 차단되어 북반구에서 오는 중성미자에 대한 신호가 훨씬 더 깨끗해지기 때문입니다.
IceCube 시설은 미국 위스콘신 대학교 매디슨 캠퍼스에서 운영하고 있으며 전 세계 300명 이상의 과학자가 IceCube 협력에 참여했습니다. 코펜하겐 대학교는 중성미자 연구를 위한 IceCube 센터가 있는 50개 이상의 대학교 중 하나입니다.
중성미자는 전하가 없고 질량도 거의 없기 때문에 전자기력과 강력한 핵력의 영향을 받지 않아 원래 상태로 수십억 광년 동안 우주를 여행할 수 있습니다.
핵심 질문은 중성미자가 장거리를 이동할 때 실제로 중성미자의 특성이 완전히 변하지 않는지, 아니면 결국 작은 변화가 눈에 띄는지 여부입니다.
“중성미자가 우리가 의심하는 미묘한 변화를 겪는다면 이는 양자 중력에 대한 최초의 강력한 증거가 될 것입니다.”라고 Stuttard는 말합니다.
중성미자는 세 가지 맛이 있습니다
팀이 찾고 있는 중성미자 특성의 어떤 변화를 이해하려면 몇 가지 배경 정보가 필요합니다. 우리가 그것을 입자라고 부르지만, 우리가 중성미자로 관찰하는 것은 실제로 함께 생성된 세 개의 입자이며, 양자역학에서는 중첩이라고 알려져 있습니다.
중성미자는 전자, 뮤온, 타우라는 세 가지 기본 구성, 즉 물리학자들이 말하는 맛이라는 세 가지 구성을 가질 수 있습니다. 중성미자가 이동할 때 어떤 구성이 변화하는지 관찰할 수 있는데, 이는 중성미자 진동이라고 알려진 정말 이상한 현상입니다. 이러한 양자 거동은 수천 킬로미터 이상에 걸쳐 유지되는데, 이를 양자 일관성이라고 합니다.
“대부분의 실험에서는 일관성이 곧 깨집니다. 그러나 이것은 양자중력에 의한 것이라고는 믿어지지 않는다. 실험실에서 완벽한 조건을 만드는 것은 매우 어렵습니다. 완벽한 진공을 원하지만 어떻게 든 몇 개의 분자가 몰래 들어갑니다.
"반면에 중성미자는 주변 물질의 영향을 받지 않는다는 점에서 특별합니다. 따라서 일관성이 깨지더라도 인간이 만든 실험 설정의 단점으로 인한 것이 아니라는 것을 우리는 알고 있습니다."라고 Stuttard는 설명합니다.
많은 동료들이 회의적이었습니다.
연구 결과가 2019년에 발표되었는지 물었습니다. 자연 물리 연구자는 “우리는 확립된 이론적 틀이 존재하지 않는 실험, 즉 실험이라는 희귀한 범주의 과학 프로젝트에 속해 있습니다. 따라서 우리는 무엇을 기대해야 할지 몰랐습니다. 그러나 우리는 양자 중력 이론이 가질 것으로 예상할 수 있는 몇 가지 일반적인 특성을 검색할 수 있다는 것을 알고 있었습니다.”
“우리는 양자 중력과 관련된 변화를 볼 수 있다는 희망을 갖고 있었지만, 그것을 보지 못했다는 사실이 그것이 실제라는 것을 전혀 배제하지 않습니다. 남극 시설에서 대기 중성미자가 감지되면 일반적으로 지구를 통과하여 이동하게 됩니다. 약 12,700km를 의미합니다. 이는 먼 우주에서 발생하는 중성미자에 비하면 매우 짧은 거리입니다. 분명히 양자 중력이 영향을 미치려면 훨씬 더 먼 거리가 필요합니다.” Stuttard는 연구의 최우선 목표는 방법론을 확립하는 것이라고 지적했습니다.
“수년 동안 많은 물리학자들은 실험이 양자 중력을 테스트할 수 있을지 의심했습니다. 우리의 분석은 그것이 실제로 가능하다는 것을 보여 주며, 향후 10년 내에 구축될 천체물리학 중성미자 및 보다 정확한 검출기를 사용한 향후 측정을 통해 우리는 마침내 이 근본적인 질문에 답할 수 있기를 희망합니다."