성균관대 연구팀, 시공간 대칭성에 대한 정밀측정 성공

성균관대학교(총장 정규상) 물리학과 카르스텐 로트 교수 연구팀이 참여한 아이스큐브 국제공동연구단에서 중성미자 진동 데이터를 이용하여 로렌츠 대칭성 위배(Lorentz symmetry violation)에 대한 중성미자 분야에서의 강력한 물리학적 제약을 얻어냈다.

‘관측자들이 방향에 관계없이 서로에게 동일한 속력으로 움직이는 한 물리법칙은 동일하게 적용된다’는 성질을 로렌츠 대칭성(Lorentz symmetry)이라고 부른다. 일반 상대성이론을 포함하는 수많은 이론들이 이 대칭성을 전제한다. 이 대칭성의 대표적인 결과 중 하나가 빛의 속력은 어디서든 초속 30만km로 유지된다는 것이다.

다른 한편으로 중성미자 진동의 관찰은 중성미자가 질량을 지니고 있다는 사실을 보여줬지만, 동시에 해결해야할 많은 이슈를 만들어 냈다. 중력이 양자이론을 통해서 설명될 수 있는 것처럼 로렌츠 대칭성이 위배된다면 중성미자 진동이 질량과 이동거리가 아닌 중성미자가 로렌츠 위배 장(Lorentz violating field)과 상호작용한 결과이거나 시공간의 작은 왜곡의 여파일 수도 있다.

마이켈슨-몰리 실험에서 사용된 광학간섭계는 광선을 이용하여 공간이 가상의 빛의 매질인 에테르의 존재를 부정했다. 이번 연구는 아이스큐브 중성미자 검출기를 일종의 중성미자 간섭계로 간주하였다. 중성미자들은 검출기에 도착하기까지 우주를 지나 지구를 통과하므로 그 중 일부분은 진동을 할 것이며, 만약 ‘로렌츠 위배 장’이 존재한다면 중성미자들은 양자 진동 무늬들의 형태를 보여줄 것이다.

에너지가 높은 중성미자일수록 질량에 의한 진동의 효과가 작아지기 때문에 아이스큐브의 연구진들은 2년 동안 지구를 통과하는 1TeV 이상의 에너지를 지닌 대기 중성미자들을 이용하여 ‘로렌츠 위배 장’의 흔적을 찾아내려고 하였지만 중성미자 진동 무늬와의 유의미한 차이를 찾아내지는 못하였다.

하지만 이번 결과를 통해서 중성미자 영역에서 로렌츠 위배 장에 대한 가장 강력한 제약을 얻어냈고 이는 근본적인 시공간의 특성들을 연구하기 위한 중성미자 실험들의 가능성을 보여주었다. 또한 후속연구가 이미 진행 중이며 현재보다 더 높은 에너지의 중성미자 데이터를 추가함으로 새로운 물리학 이론들을 검증하거나 배제할 수 있는 제약을 얻어낼 수 있을 것으로 전망된다.

온라인 중앙일보

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