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LHC의 ATLAS 실험을 통해 물리학자들은 질량이 크고 수명이 짧은 Z 보손에서 양자 얽힘 현상을 최초로 확인

양자 얽힘: LHC 입자 가속기에서의 "기묘한 원거리 작용“

양자 얽힘 현상은 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 안정적이다. 세계에서 가장 강력한 입자 가속기인 LHC에서 힉스 보손이 붕괴하는 과정에서도 양자 얽힘 입자가 생성된다는 사실이 물리학자들의 연구를 통해 밝혀졌다. LHC의 ATLAS 실험을 통해 물리학자들은 질량이 크고 수명이 짧은 Z 보손에서 양자 얽힘 현상을 최초로 확인했다. 이는 양자 현상이 얼마나 보편적인지에 대한 새로운 통찰을 제공한다. 

▲ 대형 강입자 가속기(LHC)에서 진행되는 ATLAS 실험의 모습이다. 이 실험을 통해 물리학자들은 처음으로 질량이 크고 수명이 짧은 Z 보손에서 양자 얽힘 현상을 입증했다. · 사진: © Maximilien Brice/CERN

알베르트 아인슈타인은 양자 얽힘을 "기묘한 원거리 작용"이라고 회의적으로 언급했지만, 오늘날 양자 컴퓨터와 센서부터 고정밀 측정 방법, 암호화된 양자 통신에 이르기까지 거의 모든 양자 기술에 필수적인 요소가 되었다. 입자 얽힘은 입자 상태 간의 양자적 결합을 유발한다. 즉, 한 입자를 측정하면 거리에 관계없이 상대 입자의 양자 상태가 즉시 변화한다.

하지만 이러한 양자 얽힘이 극한 조건에서 발생하고 그대로 유지될 수 있을까? 지금까지 양자 컴퓨터의 큐비트처럼, 이 양자 결합은 상당히 취약하고 외부 교란에 쉽게 영향을 받는 것으로 여겨져 왔다.

그렇다면 힉스 보손의 붕괴 생성물은 얽혀 있을까?

하지만 세계에서 가장 강력한 입자 가속기인 스위스 제네바 인근 CERN 연구센터의 대형 강입자 가속기(LHC)에서 그 반대가 밝혀졌다. ATLAS 협력단의 물리학자들은 힉스 보손(약력의 매개 입자)의 붕괴로 생성되는 Z 보손이 양자 얽힘 상태인지를 연구했다. 연구팀은 "이러한 보손 입자를 이용한 측정은 극한 조건에서 질량이 있는 입자의 얽힘을 검증할 수 있게 해준다"고 설명했다.

▲ LHC에서 측정된 값(검은색 수직선)과 얽히지 않은 Z 보손(주황색) 및 얽힌 Z 보손(파란색)에 대한 예상 값. — © ATLAS Collaboration/ Physical Review Letters, CC-by 4.0

LHC에서는 힉스 보손과 그 붕괴 생성물이 극도로 높은 에너지의 양성자 충돌을 통해서만 생성된다. 입자들은 빛의 속도의 99.99%에 달하는 속도와 13테라전자볼트(TEV) 이상의 에너지로 충돌한다. 물리학자들은 "LHC가 이러한 에너지에서 작동하기 때문에 질량이 크고 수명이 짧은 입자에 대해서도 양자 얽힘을 검증할 수 있다"고 설명했다. 이는 힉스 보손에서 방출되는 Z 보손 쌍이 단 몇 분의 1초 만에 붕괴하기 때문이다.

궤적 분석을 통해 양자 얽힘 확인

따라서 Z 보손의 양자 얽힘을 측정하기 위해 물리학자들은 간접적인 방법을 사용해야 했다. 이를 위해 그들은 ATLAS 검출기를 사용해 Z 보손 붕괴 생성물이 서로 멀어지는 각도를 분석했다. 이러한 궤적을 통해 Z 보손의 입자 스핀과 얽힌 쌍에서 생성되었는지를 추론할 수 있다. 연구진은 측정에 가속기의 두 번째 가동 기간 전체와 세 번째 가동 기간 일부의 데이터를 분석했는데, 이는 수백만 건의 Z 보손 이벤트에 해당한다.

실제로 분석 결과, 입자 가속기 내의 Z 보손은 서로 독립적으로 생성되는 것이 아니라 쌍으로 얽혀 있는 것으로 밝혀졌다. 물리학자들은 "우리의 데이터는 이 입자들이 얽히지 않은 양자 상태라는 귀무가설*을 4.7 표준 편차의 유의 수준으로 반박한다"고 보고했다. "이 결과는 전자기력 규모에서 두 개의 질량이 있는 벡터 보손 사이의 양자 얽힘에 대한 최초의 증거다.”
*귀무가설(Null Hypothesis)이란 통계학에서 가설을 검정할 때 기준(기본 상태)으로 삼는 가설로, 쉽게 말해 "아무런 효과나 차이가 없다", "변화가 없다", "서로 관련이 없다"는 주장을 말한다.

"이 양자 효과가 얼마나 근본적이고 견고한지를 보여준다.“

이는 양자 얽힘이 일반적으로 생각하는 것보다 훨씬 더 안정적이라는 것을 시사한다. 옥스퍼드 대학교의 공동 저자인 앨런 바(Alan Barr)는 "Z 보손처럼 무겁고 수명이 짧은 입자에서도 이러한 현상이 나타난다는 사실은 이 양자 효과가 얼마나 근본적이고 견고한지를 보여준다"고 말했다. "이는 양자 컴퓨터를 가능하게 하는 양자 역학의 특이한 법칙이 자연계 다른 곳, 심지어 대형 강입자 가속기에서 발견되는 것과 같은 극단적인 에너지에서도 적용된다는 것을 다시금 상기시켜 준다.“

동시에, 이 실험은 양자 물리학 개념과 입자 물리학이 얼마나 밀접하게 연결되어 있는지를 강조한다. 배러의 동료인 크리스 팀슨(Chris Timpson)은 "얽힘은 양자 현실에서 가장 유망하면서도 가장 불가사의한 측면이다"고 말하며, "입자 가속기에서 이루어지는 이러한 실험들은 양자 역학의 기초를 탐구할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다"고 덧붙였다.

출처: ATLAS Collaboration, Physical Review Letters, 2026; doi: 10.1103/y1nh-1b82

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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