양자역학의 난제 해결에 기여한 기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단의 연구성과가 물리학 전문 매체 ‘피직스 월드(Physics World)’가 선정한 물리학 분야 올해의 10대 혁신 연구(Top 10 Breakthroughs of 2021‧이하 10대 연구)에 이름을 올렸다.

피직스 월드는 12월 14일 10대 연구를 최종 선정‧발표하며 “2021년 물리학 분야 학술지에 소개된 연구 중 물리학 지식 발전에 많은 공헌을 한 성과들을 후보로 추렸다”며 “대중의 많은 관심을 받은 것은 물론 과학적 진보를 이뤘거나 상용화를 견인하는데 핵심 역할을 한 성과들이 최종 선정됐다”고 말했다.

▲ 연구진이 개발한 ENBS(얽힌 비선형 광자쌍 광원) 복합시스템의 모습,
양자 물체의 파동성과 입자성을 상보적 관계의 틀 안에서 실험적으로 조절할 수 있다.

물질이 입자와 파동의 특징을 함께 갖고 있다는 ‘상보성의 원리’는 1928년 처음 등장했지만, 지금까지는 이를 정량적으로 측정할 수 있는 기술이 없었다. IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단의 조민행 연구단장과 윤태현 연구위원 연구팀은 물체의 파동-입자 정량적 상보성에 대한 새로운 모델을 제안하고, 자체 개발한 장비를 통해 이를 실험적으로 검증했다. 상보성의 원리가 최초로 제안된 지 약 100년 만에 이뤄낸 성과다.

연구진은 양자 물체의 입자성과 파동성의 상호 연관은 물론, 둘 사이에 정량적 관계가 존재함을 증명했다. ‘양자 입자의 파동성과 입자성은 서로 배타적이어서, 하나의 성질만 하나의 측정 장치로 알 수 있다’는 기존 정설과 달리 배타적 성질 모두를 하나의 장치로 측정 가능하다는 것을 증명한 것이다. 이 연구는 지난 8월 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 게재됐다.

▲ 뮤온 g-2 실험의 핵심 장치인 뮤온 저장 고리.

한편, 미국 페르미연구소가 주도하는 국제 공동 연구 ‘뮤온 g-2’ 실험의 결과도 10대 연구에 이름을 올렸다. 이 연구에는 야니스 세메르치디스 단장 등 IBS 액시온 및 극한상호작용 연구단 연구진도 참여했다. IBS 연구진은 이번 실험에서 실험 장비인 ‘뮤온 저장 고리’ 내 자기장을 균일하게 유지하고, 뮤온 궤도 진동 효과를 줄이는 데 기여했다.

뮤온은 우주를 이루는 기본입자 중 하나다. 강력한 자기장 하에서는 뮤온의 자석 축이 팽이처럼 흔들리는데, 이 흔들림은 g값으로 표현된다. 과학자들은 표준모형을 기반으로 이 g값을 정확하게 계산해냈다. 하지만 만약 진공에 우리가 모르는 입자나 힘이 있다면 g값은 예측과 달라진다.

지난 4월 페르미연구소는 뮤온 g-2 실험을 첫 1년간 운행한 데이터를 분석한 결과를 발표했다. 뮤온 저장 고리로 측정한 g값은 2.00233184122로, 표준모형으로 계산한 이론값 2.00233183620과는 다르게 나타났다. 뮤온이 현대물리학의 예측과 다르게 행동함을 신뢰도 4.2 시그마로 입증한 것이다. 수십 년 간 미제로 남아있던 이론과 실험의 불일치를 확인한 것으로, 새로운 물리학을 개척할 단서가 될 것으로 기대된다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬