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- 양자 물리적 얽힘에서는 두 입자가 한 파트너의 상태 변화가 다른 파트너의 상태도 변경하는 방식으로 서로 결합
- 아인슈타인은 이러한 얽힘을 "원거리에서의 도깨비같은 작용"이라고 불렀다.
- 거대한 탑-쿼크 쌍에서 6.7 표준 편차의 유의미한 얽힘이 관찰돼

얽힌 쿼크 최초 발견
물리학자들은 이러한 기본 입자의 양자 현상을 처음으로 입증했다.

결합된 중량급 입자:
물리학자들은 알려진 가장 무거운 기본 입자인 두 개의 탑-쿼크가 얽혀 있음을 처음으로 입증했다. LHC 입자 가속기에서 관찰된 탑-쿼크의 결합은 쿼크가 얽힐 수 있다는 첫 번째 증거다. 동시에, 연구팀이 Nature에서 보고한 바와 같이, 이는 이 양자 물리학 현상에서 지금까지 감지된 가장 높은 에너지 얽힘이다. 

▲ 물리학자들은 모든 기본 입자 중 가장 무거운 탑 쿼크가 서로 얽힐 수 있다는 사실을 처음으로 입증했다. © CERN

양자 물리적 얽힘에서는 두 입자가 한 파트너의 상태 변화가 다른 파트너의 상태도 변경하는 방식으로 서로 결합된다. 이는 거리에 관계없이 즉각적으로 발생한다. 따라서 아인슈타인은 이러한 얽힘을 "원거리에서의 도깨비같은 작용"이라고 불렀다. 물리학자들은 이미 광자부터 원자, 전체 분자에 이르기까지 다양한 입자를 이러한 방식으로 서로 결합했다. 이는 양자 컴퓨팅, 양자 암호화 또는 양자 데이터 전송의 기초를 형성한다.

쿼크(Quarks) 분리 문제

그러나 한 가지 질문은 여전히 ​​풀리지 않았다. 물질의 가장 작은 구성 요소인 쿼크도 서로 얽힐 수 있을까? 이 현상이 자연적으로 존재할 수도 있을까? 예를 들어 원자핵에서? 이 기본 입자 중 세 개가 양성자와 중성자를 형성한다. 이들은 강한 핵력의 운반체 입자에 의해 함께 유지된다. 문제는 정상적인 조건에서는 쿼크가 결코 단독으로 나타나지 않는다는 것이다. 등장하자마자 2~3개의 조합으로 결합된다.

따라서 일반적인 상황에서는 개별 쿼크 쌍을 생성하고 얽힘을 검사하는 것이 불가능하다. 이것이 바로 세계에서 가장 강력한 입자 가속기인 LHC(Large Hadron Collider)가 작동하는 곳이다. 13TeV(테라전자볼트)의 에너지를 가진 양성자가 충돌하면 짧은 수명의 탑-쿼크 쌍과 그 반입자인 반 탑-부 쿼크가 생성된다. 탑-쿼크는 모든 기본 입자 중에서 가장 무겁다.

하이라이트:
LHC 충돌에서 생성된 상부 쿼크는 단단히 결합된 이중 또는 삼중주를 형성하기 전에 붕괴된다. 그러나 이는 전자와 뮤온을 포함한 추가 입자를 생성하여 탑-쿼크의 상태를 드러낼 수 있다. 

▲ 쿼크도 서로 얽힐 수 있을까? 지금까지 이러한 소립자에 대해서는 이것이 알려지지 않았다. © gemeinfrei

동기식(Sycrone) 스핀으로 얽힘이 드러남

최근 LHC의 물리학자들은 이러한 붕괴 생성물을 사용해 탑-쿼크(Top-Quarks)의 얽힘을 입증했다. 중요한 특징은 붕괴 중에 생성된 전자와 뮤온의 스핀이었다. “탑-쿼크의 얽힘은 스핀의 상관관계를 증가시킨다”고 연구원은 설명했다. 탑-쿼크가 근처의 안티- 탑- 쿼크(Anti Top Quark)와 물리적으로 양자 결합된 경우 스핀 상태와 방향이 일치한다.

이 스핀 동기화는 붕괴 생성물로 전달되기 때문에 탑-쿼크가 원래 서로 얽혀 있었는지를 밝힐 수 있다. “이 렙톤(Lepton)은 모입자(母粒子)의 스핀 정보를 100% 전달한다”라고 물리학자들은 설명했다. 연구를 위해 그들은 LHC, ATLAS 및 CMS 실험에 있는 두 개의 대형 검출기에서 나온 데이터를 평가했다. 그들은 2015년부터 2018년까지 가속기의 전체 두 번째 수명에서 발생하는 양성자 충돌을 고려했다.

증명 성공

실제로 두 검출기 모두에서 붕괴 입자는 탑-쿼크가 반입자와 얽혀 있다는 명확한 증거를 제공했다. 이러한 결합은 충돌 시 두 개의 기본 입자가 동시에 그리고 서로 가깝게 형성될 때 항상 관찰되었다. CMS 협력단은 "거대한 탑-쿼크 쌍에서 6.7 표준 편차의 유의미한 얽힘이 관찰되었다"라고 보고했다. ATLAS 검출기에서도 유의성은 5 시그마 이상이었다.

▲ LHC에 열려 있는 ATLAS 탐지기. 양성자 충돌 중에 탑-쿼크도 형성된다. © CERN/ Maximilien Brice

이를 통해 물리학자들은 모든 물질의 기본 구성 요소인 쿼크가 양자 물리학에서도 얽힐 수 있다는 사실을 처음으로 입증했다. ATLAS 공동 연구팀은 “우리의 결과는 쿼크 쌍의 얽힘을 최초로 관찰한 것이다”고 말했다. 이 쿼크 얽힘의 감지는 이론 모델과 입자 물리학의 표준 모델의 예측을 확인시켜준다.

얽힘에서 가장 높은 에너지

동시에, 탑-쿼크의 얽힘은 이 양자 현상이 매우 높은 에너지에서도 발생할 수 있음을 증명한다. 물리학자들이 설명하는 것처럼, 이렇게 높은 에너지와 질량에서 두 ​​입자의 양자 물리적 결합은 이전에 관찰된 적이 없다. 양자 기술에 일반적으로 사용되는 광자는 수 전자 볼트의 에너지를 가지고 있다. 반면에 LHC의 탑-쿼크는 수 테라전자 볼트에서 수조 배 더 에너지가 많다.

CMS 협업 대변인인 패트리샤 맥브라이드(Patricia McBride)는 “이 새로운 입자 시스템과 이전에는 얻을 수 없었던 에너지의 얽힘 및 기타 양자 효과를 측정함으로써 이제 완전히 새로운 방식으로 표준 모델을 테스트할 수 있다”며 "이를 통해 표준 모델을 넘어서는 새로운 물리학의 증거를 찾을 수도 있다"고 설명했다.
(Nature, 2024; doi: 10.1038/s41586-024-07824-z; Physical Review D 제출, 2024; doi: 10.48550/arXiv.2409.11067)
출처: Nature, Physical Review D, CERN

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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