두 입자의 양자 상태가 서로 영향을 주는 '양자 얽힘' 현상은 양자역학의 기본 원리 중 하나로 양자컴퓨터와 양자암호통신 등 최근 급부상하고 있는 양자 기술의 토대다. 과학자들이 입자가속기로 구현한 물질의 기본 입자 '쿼크'에서도 양자 얽힘을 관측하는 데 처음으로 성공했다.
유럽핵입자물리연구소(CERN) 거대강입자충돌기(LHC)에서 양성자-양성자 충돌 실험을 진행하는 아틀라스(ATLAS) 검출기 공동연구팀이 물질 기본 입자 중 하나인 '꼭대기 쿼크'의 양자 얽힘 현상을 처음 관측하는 데 성공하고 연구결과를 18일(현지시간) 국제학술지 '네이처'에 공개했다.
양자 상태인 어떤 입자는 측정하기 전까지 운동량이나 스핀(spin) 등 성질이 결정되지 않다가 관측하는 순간 붕괴해 하나의 값으로 정해진다. 양자 얽힘 현상은 양자 상태인 둘 이상의 입자가 상호작용해 결과에 서로 영향을 주는 상태를 말한다.
스핀은 어떤 입자의 각운동량(방향성)을 나타내는 값으로 +1/2, -1/2과 같이 표현될 수 있다. 만약 양자 상태의 두 입자가 서로 다른 스핀을 갖도록 '얽힌(entangled)' 경우 한쪽의 상태가 결정되면 두 입자 사이의 거리와 관계없이 다른 한쪽의 상태도 결정된다. 한쪽 입자의 스핀이 +1/2이면 다른 한쪽은 -1/2이 되는 식이다.
지금까지 양자 얽힘 현상은 대부분 에너지 수준이 낮은 극저온 환경 등에서만 확인됐다. 연구팀은 입자가속기로 두 입자를 매우 강하게 충돌시켜 구현된 고에너지 상태에서도 양자 얽힘이 일어나는지 확인하는 실험을 진행했다.
원자는 원자핵과 전자로 이뤄져 있고 원자핵은 다시 양성자와 중성자로 쪼개나갈 수 있다. 쿼크(quark)는 더 쪼갤 수 없는 것으로 알려진 우주에서 가장 기본적인 입자 중 하나로 총 6종류가 있다.
일반적으로 양성자·중성자 등 입자를 강하게 충돌시키면 쿼크와 쿼크의 반물질(antimatter)인 '반쿼크'가 발생할 수 있는 것으로 알려졌다. 반물질은 어떤 물질과 전하나 스핀 등 특정 성질이 반대인 물질을 말한다.
생성된 쿼크는 대부분 찰나의 시간에 다시 모여서 양성자나 중성자 등을 형성하기 때문에 관측이 매우 어렵다. 연구팀은 고에너지 상태에서만 존재하며 쿼크 중에서 질량이 가장 큰 '꼭대기 쿼크(top quark)'가 매우 불안정해 다시 양성자·중성자를 형성하기도 전에 다른 입자와 쿼크로 금세 붕괴한다는 사실에 주목했다.
연구팀은 꼭대기 쿼크가 짧은 수명 동안에 양자 특성인 스핀을 가진다는 선행 연구를 근거로 입자 충돌에서 발생하는 꼭대기 쿼크와 꼭대기 쿼크의 반물질인 '꼭대기 반쿼크(antiquark)'의 양자 얽힘을 증명하기 위한 실험을 설계했다.
꼭대기 쿼크가 붕괴하며 만들어진 입자에 꼭대기 쿼크의 스핀 정보가 전달되기 때문에 붕괴 생성물의 스핀 상태를 확인하면 거꾸로 꼭대기 쿼크와 꼭대기 반쿼크의 양자 상태를 측정할 수 있다는 아이디어다.
연구팀은 꼭대기 쿼크가 붕괴해서 나온 입자인 렙톤의 스핀 상태를 측정해 처음 입자 충돌에서 발생한 꼭대기 쿼크와 꼭대기 반쿼크가 양자 얽힘 상태에 있다는 사실을 밝혀냈다.
이번 연구결과는 한 쌍의 쿼크에서 양자 얽힘에 대한 첫 번째 관측이자 지금까지 가장 높은 에너지로 관측된 것이다.
LHC의 또 다른 검출기인 콤팩트뮤온솔레노이드(CMS) 연구팀도 이번 꼭대기 쿼크의 양자 얽힘 실험과 비슷한 결과를 지난 6월 논문 사전 공개 사이트인 '아카이브(arXiv)'에 공개한 바 있다.
연구팀은 "측정하기 어려운 고에너지 상태의 양자 얽힘 상태를 LHC에서 구현했다"며 "LHC와 같은 고에너지 충돌기를 양자정보, 양자역학 기초 문제를 연구하는 실험실로 활용할 수 있는 길을 열었다"고 밝혔다.
