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- 중성미자 측정은 시공간의 양자 물리적 성질에 대한 증거 찾지 못해
- 아인슈타인의 상대성 이론과 양자 물리학은 우주와 물리학의 많은 현상을 설명
- 그러나 이 둘은 공통된 근거로 거슬러 올라갈 수 없다.

양자 중력의 흔적 없음
중성미자 측정은 시공간의 양자 물리적 성질에 대한 증거를 찾지 못해

우주에서의 추적:
아인슈타인의 중력과 양자 물리학을 어떻게 조화시킬 수 있을까? 물리학자들은 이제 그러한 양자 중력에 대한 최소한 일부 설명 모델을 배제했다. 그들이 사용한 시금석은 우주를 통해 수십억 광년을 달리는 입자인 고에너지 우주 중성미자의 진동이었다. 중성미자 탐지기 IceCube의 측정 데이터는 중성미자에 대한 시공간의 양자-물리적 간섭 효과를 증명할 수 없었다. 

▲ 이 서명은 지금까지 IceCube 탐지기로 포착된 가장 높은 에너지의 중성미자 중 하나에서 비롯된다. 이러한 입자의 상태는 양자 물리학과 중력이 양립할 수 있는지 여부와 방법을 나타낼 수 있다. © IceCube Collaboration

이것은 우리의 물리적 세계관의 가장 큰 문제 중 하나다. 아인슈타인의 상대성 이론과 양자 물리학은 우주와 물리학의 많은 현상을 설명한다. 그러나 이 둘은 공통된 근거로 거슬러 올라갈 수 없다. 아인슈타인은 시공간의 곡률로 중력을 설명하지만 양자 물리학의 관점에서 그것이 의미하는 것과 그 뒤에 있을 수 있는 입자는 여전히 물음표이다. 끈 이론이나 루프 양자 중력을 포함한 양자 중력의 경쟁 모델에 대한 증거는 아직 발견되지 않았다.

양자 중력에 대한 "촉각제"로서의 중성미자

이제 처음으로 물리학자들은 측정을 사용해 적어도 양자 중력의 증거가 숨겨져야 하는 영역으로 침투하는 데 성공했다. 이것은 물질과 거의 상호 작용하지 않는 빠르고 거의 질량이 없는 입자인 우주 중성미자에 의해 가능하다. 그들은 거대한 블랙홀에서 별이 죽는 것과 같이 우주에서 가장 에너지가 넘치는 과정에서 방출된다.

"이러한 고에너지 중성미자는 수십억 광년에 걸쳐 우주의 진공에서 방해받지 않고 확산되며 새로운 물리학의 작은 영향에도 민감하다"고 IceCube 협력의 물리학자들이 설명했다. 예를 들어 시공간의 가장 작은 교란을 통해 공간에서 양자 중력의 영향이 눈에 띄게 되면 진공을 통과하는 중성미자는 영향을 받아야 한다. 긴 여정에서 이러한 영향은 측정 가능한 방식으로 누적되고 강화될 수 있다.

▲ 양자 중력은 시공간의 작은 섭동을 통해 느껴져야 한다. 우주 중성미자는 이것에 반응해야 한다. 예를 들어 변칙적 진동에 의해.© IceCube Collaboration

맛에 관한 모든 것

특히, 이론은 양자 중력에 의한 섭동이 중성미자 진동을 변화시켜야 한다고 예측한다. 입자는 전자, 뮤온 및 타우 중성미자의 세 가지 유형으로 제공되기 때문에 비행 중에 서로 변형될 수 있다. 각 중성미자 유형은 항상 다른 두 유형의 특정 비율을 결합한다. 다양한 "맛(Flavour)"의 비율과 전환 속도는 소스에 따라 다르지만 이러한 입자의 경로에 대한 영향도 있다.

IceCube 협력의 물리학자들은 이제 2010년에서 2018년 사이에 남극에서 IceCube 중성미자 탐지기에 의해 포착된 60테라전자볼트 이상의 에너지를 가진 60개의 우주 중성미자의 맛(flavour)을 구체적으로 평가했다. "목표물이 표준 모델에 단단히 고정되어 있기 때문에 맛의 비율은 새로운 물리학에 대한 가장 강력한 테스트 중 하나다"고 Harvard 대학의 Carlos Argüelles가 설명했다. 팀은 검출된 중성미자 풍미의 비율을 이론적으로 예상한 것과 비교했다.

이상(異常)을 감지할 수 없음

결과:
IceCube 검출기에 의해 포착된 우주 중성미자는 예상 정렬 분포에서 어떠한 편차도 보여주지 않았다. "다시 말해서, IceCube의 고에너지 뉴트리노의 향미 측정은 통계적 불확실성 내에서 표준 시나리오와 일치한다"고 물리학자들은 말했다. 따라서 새로운 물리학의 명확한 흔적이나 양자 중력의 영향을 찾을 수 없었다.

IceCube 협업에 따르면 "따라서 우리 데이터는 이 표준 영역을 넘어서는 풍미 구성을 유발해야 하는 특정 양자 중력 모델도 제외한다. 진공에 있는 모든 새로운 구조는 풍미율에서 감지할 수 있는 이상을 생성해야 하기 때문이다"고 설명했다.

"새로운 물리학"에 충분히 민감

동시에 분석은 그러한 중성미자 측정이 원칙적으로 "새로운 물리학"의 가능한 효과를 감지할 만큼 충분히 민감하다는 것을 증명했다. 물리학자들은 "우리는 지금까지 알려진 모든 기술의 가장 엄격한 한계를 설정했으며 양자 중력의 물리적 효과가 눈에 띄어야 하는 매개변수 공간에 분명히 도달했다"고 썼다. 양자 중력이 시공간에 느껴진다면 중성미자 측정으로 이를 감지할 수 있어야 한다.

고에너지 중성미자에 대한 연구는 이제 막 시작되었을 뿐이며, IceCube 검출기도 지속적으로 확장되고 있다. 따라서 물리학자 팀은 이러한 "유령 입자"가 미래 물리학의 큰 문제를 명확히 하는 데 훨씬 더 기여할 수 있을 것이라고 확신한다. 이 방법은 암흑 에너지와 암흑 물질 또는 인식되지 않은 힘의 대체 이론을 포함해 다른 형태의 새로운 물리학을 확인하는 데에도 적합하기 때문이다.
이 연구에 참여하지 않은 나폴리 대학의 물리학자인 줄리아 구비토시(Giulia Gubitosi)도 "IceCube 협력으로 달성한 인상적인 감도는 천체물리학적 중성미자를 사용하는 양자 중력 연구의 이정표를 표시한다"고 그녀는 첨부된 논평에서 언급했다.
(Nature Physics, 2022; doi: 10.1038/s41567-022-01762-1)
출처: IceCube 중성미자 천문대

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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