중력파의 무선 신호로 중력 입자 감지 가능.
미래의 전파 망원경으로 탐지. 중력자의 특성은 이 신호를 참고해 추론될 수 있다.
블랙홀 충돌이 가장 적합한 장소인지 아직 모른다.

중력자(Graviton,그라비톤)를 찾아라
중력파의 무선 신호로 중력 입자 감지 가능

미묘한 신호 :
아직 탐지되지 않은 중력의 운반 입자를 어떻게 감지할 수 있을까?
미국 한 물리학자가 이에 대한 아이디어를 제시했다. 이 중력자는 중력파끼리 충돌할 때 약한 무선 신호로 변환될 수 있다. 연구원들이 설명하듯 미래의 전파 망원경으로 탐지 할 수 있을 것이다. 중력자의 특성은 이 신호를 참고해 추론될 수 있다.

▲ 중력파는 중력의 운반체 입자를 찾는 데 도움이 될 수 있다. © Albert Einstein Institute / CC-by-sa 2.0

물리학의 표준 모델에 따르면, 소위 캐리어 보손(carrier boson)이라 불리는 운반 입자에 의해 모든 기본 힘이 전달된다. 강한 핵력에는 글루온, 전자석의 경우에는 광자가 있다.
알버트 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면 중력은 시공간의 기하학과 불가분의 관계가 있다. 그러나 양자 물리학이 적용되더라도 여전히 캐리어 입자가 있어야 한다.

중력자는 어디에 있을까?

지금까지 이 *Graviton(운반 입자)의 흔적은 어디에도 없다.
물리학자들은 모델에 관해 이미 개연성 있는 모델을 알렸다. 이것에 따르면, 그라비톤은 2 중 스핀을 가져야 하고, 광자만큼 질량이 없고, 고유한 반입자이어야 한다. 만약 두 개의 중력이 충돌한다면, 그들은 암흑 물질의 가상 입자와 유사하게 스스로 없어져야 할 것이다.

*중력자 Graviton
중력적 상호작용에서 교환하는 가상적인 입자 또는 에너지 양자. 광속도로 움직이고 정지질량과 전하는 없으며 중력을 매개하는 소립자이다. 질량을 가지는 모든 소립자가 중력자를 가지는 것으로 예상된다. 질량은 0이고, 스핀은 2, 전달 속도는 광속이다. 중력의 힘은 전자기력에 비교하여 10－42 정도 약하다.

그러나 양자 수준에서 중력이 어떻게 작동하고 어디에 캐리어 입자가 숨어있는 지는 지금까지 미스터리였다. 이 문제를 해결하려면 아인슈타인의 시공간을 정량화해야 한다. 광자가 가장 작은 빛의 단위인 것처럼, 그라비톤(Graviton, 중력자)은 가장 작은 중력의 단위가 된다.
루프 양자 중력과 같은 이론은 적어도 문서로서 이 표준화를 달성하려고 한다. 그러나 그것은 여전히 ​​실험적으로 중력의 증거를 밝히는 것과는 먼 길이다.

중력은 무선 광자가 된다

산타 바바라에 있는 캘리포니아 대학 (University of California)의 레이 소여 (Ray Sawyer)가 이 점에 주목한 것이다. 그의 아이디어는 중력파는 신비한 중력자를 추적하는 데 도움이 될 수 있다. 그의 모델 계산에 따르면, 이러한 시공간파는 예를 들어 2개의 인접 블랙홀에서 충돌 할 수 있어서 검증 가능한 양의 광자가 방출된다.

소이어는 “순수한 중력자들의 짙은 구름에는 올바른 조건에서 풍부한 광자를 생산할 수 있는 집단적 효과가 있다. 이를 위해 중력파가 발생하는 영역에는 특정 파장 및 위상의 몇 가지 무선 광자가 이미 존재해야 한다. 그래야만 양자 프로세스가 발생해 중력이 무선 광자로 변환되어 잠재적으로 감지 가능한 신호가 발생한다.

중력파에 의존

그리고 또 다른 전제 조건이 있다. 이 사건은 장기간에 걸쳐 중력파 형태로 많은 에너지를 방출해야 한다. 그러나 물리학자가 설명하듯이 LIGO와 같은 검출기에 의해 이전에 감지된 파동들은 10배나 짧다. 중력파 물리학은 이제 막 시작되었다. 앞으로는 이 분야에 많은 일이 있어 날 것이다.

"내 계산의 가장 중요한 결과는 이러한 효과를 사용해 중력장의 양자 특성을 검증 할 수 있다는 것"이라고 Sawyer는 말한다. 만약 중력에 의해 생성된 무선 광자를 증명할 수 있다면, 이것은 또한 시공간이 양자화되는 장소와 방법, 그리고 오랫동안 찾는 중력이 어디에 있는지에 대한 무언가를 드러낼 것이다.

앞으로 감지 할 수 있을까?

이러한 무선 광자를 어떻게 감지할 수 있을까?
첫 번째 질문은 어디서 찾아야 하는지 이다. 소여는 “우리는 블랙홀 충돌이 가장 적합한 장소인지 아직 모른다”고 말했다. "지금 우리가 알고 있듯이, 다른 유형의 슈퍼 에너지 사건이 많이 있다." 슈퍼 컴퓨터를 사용한 보다 상세한 모델 시뮬레이션은 이러한 이벤트 중 어떤 것이 '올바른 중력파'를 생성 할 수 있는지를 밝혀낼 수 있다.

두 번째 문제는 도구다. 물리학자가 설명하듯이 오늘날의 전파 망원경은 중력파에 의해 방출되는 전파를 포착할 만큼 강력하지는 않다. 그러나 미래의 우주 기반 무선 위성은 필요한 감도를 가질 수 있다. 그때까지는 중력은 아마도 물리학의 위대한 신비로 남아 있을 듯 하다.

(Physical Review Letters, 2020; doi : 10.1103 / PhysRevLett.124.101301)
출처 : American Physical Society (APS), University of California Santa Barbara

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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