지식보관소_ 얼마전 CERN이 발견한 충격적인 쿼크 글루온 이중성

 

 

얼마 전 CERN에서

양성자 충돌 실험 데이터를 분석하던 연구원들은

놀라운 사실을 발견했습니다.

양성자 충돌에서 발생한 산란에서

이중성이 발견되었는데

이중슬릿 실험처럼 이상한 일이

소립자 충돌 산란과정에서 발생한다는 내용이죠.

 

이 내용은 과학 저널 피지컬 리뷰 레터스PhysicAl Review Letters에 게재되었습니다.

 

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빛의 이중성은 물리학에서 가장 놀라운 현상 중의 하나입니다.

과거부터 빛이 입자인지 파동인지 궁금했던 과학자들은

이중슬릿이라는 아이디어를 이용해서

빛의 정체를 알아내기 위한 실험을 진행했고

결과는 빛이 파동인 것으로 나타났습니다.

 

하지만 이후에 아이슈타인은

광전효과가 일어나는 원인이

빛이 불연속적인 양자화 되어 있어야 가능하다는 논문을 발표했고

빛이 파동이냐 입자냐 하는 논쟁은 미궁으로 빠져들었습니다.

 

그러던 와중에 전자를 통해서

이중슬릿 실험을 하면서 놀라운 사실을 알게 되는데

전자가 이중슬릿을 지나서 스크린을 통과할 때까지

아무런 입자와의 상호작용을 하지 않으면

빛과 마찬가지로

스크린에 파동성이 나타난다는 사실을 발견하죠.

 

분명히 입자인 전자가 어떻게 파동성이 나타난 건지,

이중슬릿을 통과할 때 무슨 일이 일어나는 것인지를 확인하기 위해서

관측을 시도하면

전자가 입자와의 상호작용이 필요했고

입자와 상호작용을 하는 순간 파동성은 사라졌습니다.

 

결국에 파동성을 보이는 조건은

Coherence StAte 즉, 결맞음과 관련이 있지만

이중슬릿을 지날 때 무슨 일이 일어났는지 알기 위해서는

관측을 해야 하고,

우주에서 관측을 하기 위해서는

어떠한 형태든 상호작용이 필요하기 때문에

결맞음이 깨지고 파동성이 사라지는 것이죠.

 

이것 때문에 마치 사람이 관찰하면

파동성이 깨진다고 오해를 하시는 경우가 있는데

정확하게 말하자면

이중슬릿의 핵심은

결맞음을 유지하는 상호작용의 여부입니다.

 

아무튼 양자역학은

사실은 모든 에너지가 불연속적인 양자화 되어 있다는 내용이 핵심인데

너무나도 이상해 보이는 이 이중슬릿 실험이

대중들에게 많이 알려지면서

양자역학하면 이중슬릿을 떠올리는 경우가 많아졌죠.

 

또한 양자역학에서 나타나는 이중성은

이러한 결맞음으로 나타나는 이중슬릿 실험이나

하나의 입자가 동시에 다른 장소에 있을 수가 있는

양자중첩 같은 현상이 대표적이었습니다.

뭐 지금까진 말이죠.

 

얼마 전 CERN에서 양성자 충돌 실험 데이터를 분석하던 연구원들은

놀라운 사실을 발견했습니다.

양성자 충돌에서 발생한 산란에서

이중성이 발견이 되었는데

이중슬릿 실험처럼 이상한 일이

소립자 충돌 산란과정에서 발생한다는 내용이죠.

 

이 내용은 과학 저널 PhysicAl Review Letters에 게재되었습니다.

양성자는 업쿼크와 다운쿼크로 이루어져 있고

이들을 묶는 힘은 핵력을 매개하는 힘인 글루온입니다.

 

일반적인 경우에서 일어나지 않지만

양성자 2개가 광속에 가까운 고속으로 충돌하는 상황에서

2개의 글로온이 상호작용을 할 수가 있으며

이 과정에서 힉스입자 같은

실험실 환경 외에서는 볼 수가 없는 이론상의 입자가 검출됩니다.

 

연구팀은 이러한 상호작용 산란과정이

어떻게 일어났는지 mapping을 했는데

2개의 글루온이 상호작용을 해서

4개의 글루온을 생성하는 산란과정과

2개의 글루온이 상호작용을 해서

글루온과 힉스입자를 생성하는 2개의 산란 과정을 계산해서 비교해 봤습니다.

 

놀랍게도 전혀 다른 이 두 개의 산란과정이

다른 산란과정에 영향을 받았다는 것입니다.

 

한마디로 간단하게 표현해서

2개의 글루온이 4개의 글루온을 생성하는 산란과정을 A라고 표현하고

2개의 글루온이 글루온과 힉스를 산란하는 과정을 B라고 표현한다면

B산란이 일어날 확률은

A산란의 결과에 영향이 있다는 것이죠.

 

문제는 이 두 개의 산란과정은

물리적으로 아무런 연결고리를 가지고 있지 않지만

실험결과 A의 결과가 B의 결과에 영향을 줬다는 것이고

이는 너무나도 이상한 일이죠.

 

마치 양자컴퓨터의 원리인 양자중첩의 원리에서

서로 중첩상태에 있는 2개의 소립자를 생성하고

2개의 소립자 중 1개의 소립자의 상태를 확인하면

나머지 소립자의 상태가 결정이 되는

양자중첩, superposition과 유사한 현상인 것이죠.

 

이번에 발견이 된 이중성은

눈에 보이는 이중성이라기보다는 수학적인 이중성에 가깝지만

분명한 것은 각각의 양성자 충돌의 상황은

서로 아무런 연관이 없음에도

수학적으로는 엮여있다는 것입니다.

 

이는 마치 MMORPG에서 무기 강화를 할 때

A유저가 강화를 실패했다고 해도

B유저가 강화를 성공하는 것은

게임 내에서 보면 아무런 연관이 없어야 하지만

실제로는 프로그램 상에서 연관이 있는 것처럼

A소립자의 충돌에서 발생하는 산란패턴이

B소립자의 충돌에서 발생하는 산란패턴과는

아무런 연관이 없어야 할 것 같지만

실제 우주라는 시스템 내에서 서로 연관이 있었다는 것입니다.

 

연구팀은 이러한 이상한 이중성 현상을 발견하기 위해

양성자 충돌 시의 산란 패턴을 단순화해서 계산한 것이며

이 원인을 알기 위해서는

좀 더 복잡한 계산이 필요하다고 얘기했습니다.

 

하지만 분명한 것은

양성자 충돌 실험에서는

이 우주는 서로 전혀 상관이 없는 사건이

서로 물리적인 영향을 주고받고 있다는 것이며

이는 우주에서 일어나는 모든 사건이

거대한 프로그램 같이 연산이 되고 있다고 생각할 수도 있는 것입니다.

 

어찌 보면 이번에 오랜만에 새로운 물리 법칙을 발견한 것인 만큼

이번에 양성자 충돌의 이중성에 대한 새로운 연구가

계속해서 진행될 것으로 보이네요.