거울 세계는 존재하는가? 극저온 중성자 실험으로 더 많은 것을 알게 돼
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2026-07-31 11:45:46
4분 읽기
2천500만 개의 극저온 중성자를 이용한 실험이 이 가설을 검증
암흑 물질, 기본 입자의 비대칭성, 우주의 팽창 등, 현재까지 표준 입자 물리학 및 우주론 모델로는 우주의 모든 현상을 설명할 수 없다. 이러한 이유로 일부 물리학자들은 거울 세계라는 개념을 제시해 왔다. 이 개념은 마치 "스타 트렉"에서 빌려온 것처럼 들릴지 모르지만, 기본 입자의 세계를 가리킨다. 스위스 취리히 연방 공과대학(ETH Zurich)의 니콜라스 에이어스(Nicholas Ayres) 교수와 그의 동료들은 "이 시나리오에서는 모든 일반 입자, 즉 전자, 양성자, 중성자 등은 우리 표준 모형에서 설명하는 상호작용에 대해 아무런 영향을 미치지 않는 동일한 유형의 거울상 입자를 가지고 있다"고 설명했다.
세계 사이를 떠도는 중성자
구체적으로 말하면, 우리가 우주에서 알고 있는 모든 입자에는 우리 눈에는 보이지 않지만 동일한 질량을 가진 거울상 입자가 존재한다는 뜻이다. 하지만 반물질과는 달리, 이 거울상 입자들은 우리 세계와 그 영향권에 거의 영향을 미치지 않는다. 폴 쉐러 연구소(PSI)의 수석 저자인 게자 지그몬드(Geza Zsigmond) 교수는 "기본적으로 두 종류의 입자는 중력을 통해 서로를 감지한다”고 설명했다. 그러나 중력만으로 거울상 입자의 존재를 증명하는 것은 불가능하다.
하지만 다른 가능성도 있다. 거울 세계 가설이 옳다면, 일부 입자는 두 세계를 오갈 수 있다. 물리학자들은 "중성미자 같은 기본 입자든 중성자 같은 복합 입자든 모든 중성 입자는 질량이 같은 거울 세계 입자와 섞일 수 있다"고 설명한다. 이러한 입자들은 우리 세계에서 잠시 사라졌다가 다시 나타나기 때문에, 즉 거울 세계와 우리 세계 사이를 오가며 진동하기 때문에 관찰할 수 있다.
물리학자들은 이미 여러 실험을 통해 극저온 중성자가 이러한 진동을 보이는지 조사해 왔다. 그들은 중성자를 강한 자기장에 노출시켰는데, 이는 우리 세계와 거울 세계 사이의 전이를 촉진하는 것으로 알려져 있기 때문이다. 그러나 지금까지의 결과는 명확하지 않았고, 때로는 서로 모순되기도 했다.
2천500만 개의 중성자를 사용한 실험
따라서 에이어스 연구팀은 특별한 실험 장치와 총 2,500만 개의 중성자를 사용하여 이 가설을 재검토했습니다. 물리학자들의 설명에 따르면, 이 실험은 전 세계에서 가장 정밀한 실험입니다. 이를 위해 연구팀은 먼저 파울 쉐러 연구소의 양성자 가속기를 이용해 대량의 중성자를 생성한 후, 속도를 크게 줄여 저에너지 극저온 상태로 만들었다.
그다음, 연구팀은 이 극저온 중성자를 스테인리스 스틸 탱크에 150만 개씩 나누어 주입했다. 200초마다 탱크를 비우고 남아있는 중성자 수를 측정했다. 중성자가 진동 과정에서 일시적으로 거울상 이탈(거울상 이탈)을 한다면, 이는 입자 수에 반영될 것이기 때문이다. 연구팀은 측정 과정에서 외부 자기장의 방향과 세기를 변화시켰다.
"99.98% 이상 배제"
결과는 다소 실망스러웠다. 에이어스 연구팀은 "중성자 손실과 관련된 어떠한 이상 현상도 발견하지 못했다"고 밝혔다. "우리는 중성자와 거울 중성자의 진동을 관측할 수 없었다." 물리학자들은 높은 정밀도로 가능한 진동 공간의 상당 부분을 측정했기 때문에, 극저온 중성자가 거울 세계로 진입할 가능성을 거의 완전히 배제했다.
연구진은 "이전에 이러한 진동 신호의 잠재적 가능성을 나타내는 것으로 밝혀진 매개변수 공간이 99.98%의 확실성으로 배제되었다"고 밝혔다. 이는 거울 세계가 존재하지 않거나, 존재하더라도 현재 가정하는 것보다 중성 입자가 접근하기 훨씬 더 어렵다는 것을 의미한다. 이러한 결과는 이미 논란이 되고 있는 거울 세계 가설에 의문을 제기하는 동시에 이론 물리학에 새로운 동기를 부여한다.
지그몬드 교수는 "특정 추측의 범위를 좁힘으로써, 우리는 이론 물리학자들이 새로운 연구 방향을 모색해야 한다는 것을 보여준다"라며, "이러한 동기 부여를 통해서만 물리학이 발전할 수 있다"고 말했다.
출처: Nicholas Ayres (ETH Zurich) 외, Physical Review Letters, 2026; doi: 10.1103/2qck-n6mb
2천500만 개의 극저온 중성자를 이용한 실험이 이 가설을 검증
거울 세계는 존재하는가? 극저온 중성자 실험으로 더 많은 것을 알게 돼
이것은 단지 공상 과학 소설에 불과할까? 한 가설은 우주에 숨겨진 거울 세계가 존재하며, 이 세계가 암흑 물질을 비롯한 여러 현상을 설명할 수 있다고 주장한다. 2천500만 개의 극저온 중성자를 이용한 실험이 이 가설을 검증했다. 거울 세계가 존재한다면, 이러한 중성자들은 두 세계 사이를 오갈 수 있어야 한다. 그러나 이번 실험 결과는 거울 세계의 존재 가능성을 매우 높은 확률로 배제한다.
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| ▲ 물리학자 베른하르트 라우스(왼쪽, Bernhard Lauss)와 게자 지그몬드가 파울 쉐러 연구소의 극저온 중성자원에서 연구하고 있다. 그들은 이 중성자원을 이용하여 중성자의 거울 세계 진동을 탐색했다. © Paul Scherrer Institut/ Markus Fischer |
암흑 물질, 기본 입자의 비대칭성, 우주의 팽창 등, 현재까지 표준 입자 물리학 및 우주론 모델로는 우주의 모든 현상을 설명할 수 없다. 이러한 이유로 일부 물리학자들은 거울 세계라는 개념을 제시해 왔다. 이 개념은 마치 "스타 트렉"에서 빌려온 것처럼 들릴지 모르지만, 기본 입자의 세계를 가리킨다. 스위스 취리히 연방 공과대학(ETH Zurich)의 니콜라스 에이어스(Nicholas Ayres) 교수와 그의 동료들은 "이 시나리오에서는 모든 일반 입자, 즉 전자, 양성자, 중성자 등은 우리 표준 모형에서 설명하는 상호작용에 대해 아무런 영향을 미치지 않는 동일한 유형의 거울상 입자를 가지고 있다"고 설명했다.
세계 사이를 떠도는 중성자
구체적으로 말하면, 우리가 우주에서 알고 있는 모든 입자에는 우리 눈에는 보이지 않지만 동일한 질량을 가진 거울상 입자가 존재한다는 뜻이다. 하지만 반물질과는 달리, 이 거울상 입자들은 우리 세계와 그 영향권에 거의 영향을 미치지 않는다. 폴 쉐러 연구소(PSI)의 수석 저자인 게자 지그몬드(Geza Zsigmond) 교수는 "기본적으로 두 종류의 입자는 중력을 통해 서로를 감지한다”고 설명했다. 그러나 중력만으로 거울상 입자의 존재를 증명하는 것은 불가능하다.
하지만 다른 가능성도 있다. 거울 세계 가설이 옳다면, 일부 입자는 두 세계를 오갈 수 있다. 물리학자들은 "중성미자 같은 기본 입자든 중성자 같은 복합 입자든 모든 중성 입자는 질량이 같은 거울 세계 입자와 섞일 수 있다"고 설명한다. 이러한 입자들은 우리 세계에서 잠시 사라졌다가 다시 나타나기 때문에, 즉 거울 세계와 우리 세계 사이를 오가며 진동하기 때문에 관찰할 수 있다.
물리학자들은 이미 여러 실험을 통해 극저온 중성자가 이러한 진동을 보이는지 조사해 왔다. 그들은 중성자를 강한 자기장에 노출시켰는데, 이는 우리 세계와 거울 세계 사이의 전이를 촉진하는 것으로 알려져 있기 때문이다. 그러나 지금까지의 결과는 명확하지 않았고, 때로는 서로 모순되기도 했다.
2천500만 개의 중성자를 사용한 실험
따라서 에이어스 연구팀은 특별한 실험 장치와 총 2,500만 개의 중성자를 사용하여 이 가설을 재검토했습니다. 물리학자들의 설명에 따르면, 이 실험은 전 세계에서 가장 정밀한 실험입니다. 이를 위해 연구팀은 먼저 파울 쉐러 연구소의 양성자 가속기를 이용해 대량의 중성자를 생성한 후, 속도를 크게 줄여 저에너지 극저온 상태로 만들었다.
그다음, 연구팀은 이 극저온 중성자를 스테인리스 스틸 탱크에 150만 개씩 나누어 주입했다. 200초마다 탱크를 비우고 남아있는 중성자 수를 측정했다. 중성자가 진동 과정에서 일시적으로 거울상 이탈(거울상 이탈)을 한다면, 이는 입자 수에 반영될 것이기 때문이다. 연구팀은 측정 과정에서 외부 자기장의 방향과 세기를 변화시켰다.
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| ▲ 개략적인 (컴퓨터 지원 설계) 실험 설정을 잘라내면 다음과 같다. (1) West-1 빔포트 셔터, (2) UCN 가이드, (3) 수평 가이드 셔터, (4) 저장 용기, (5) 버터플라이 셔터, (6) UCN 검출기, (7) 자기장 코일, (8) 저장 용기의 상단 덮개, (9) 방사선 차폐. (출처:New High-Sensitivity Search for Neutron to Mirror-Neutron Oscillations at the PSI Ultracold Neutron Source / Phys. Rev. Lett. 137, 051802 – Published 28 July, 2026) |
"99.98% 이상 배제"
결과는 다소 실망스러웠다. 에이어스 연구팀은 "중성자 손실과 관련된 어떠한 이상 현상도 발견하지 못했다"고 밝혔다. "우리는 중성자와 거울 중성자의 진동을 관측할 수 없었다." 물리학자들은 높은 정밀도로 가능한 진동 공간의 상당 부분을 측정했기 때문에, 극저온 중성자가 거울 세계로 진입할 가능성을 거의 완전히 배제했다.
연구진은 "이전에 이러한 진동 신호의 잠재적 가능성을 나타내는 것으로 밝혀진 매개변수 공간이 99.98%의 확실성으로 배제되었다"고 밝혔다. 이는 거울 세계가 존재하지 않거나, 존재하더라도 현재 가정하는 것보다 중성 입자가 접근하기 훨씬 더 어렵다는 것을 의미한다. 이러한 결과는 이미 논란이 되고 있는 거울 세계 가설에 의문을 제기하는 동시에 이론 물리학에 새로운 동기를 부여한다.
지그몬드 교수는 "특정 추측의 범위를 좁힘으로써, 우리는 이론 물리학자들이 새로운 연구 방향을 모색해야 한다는 것을 보여준다"라며, "이러한 동기 부여를 통해서만 물리학이 발전할 수 있다"고 말했다.
출처: Nicholas Ayres (ETH Zurich) 외, Physical Review Letters, 2026; doi: 10.1103/2qck-n6mb
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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