'세른(CERN)'은 스위스 제네바와 프랑스 사이의 국경에 있는 ' 유럽 원자핵 공동 연구소(Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire)'로, 2022년 현재 세계 최대의 입자물리학 연구소이다. 세계 최대의 입자가속기인 'LHC(대형 강입자 충돌기)'를 보유하고 있으며, HTML과 '월드 와이드 웹(WWW: World Wide Web)'의 발상지로도 유명하다.
2011년 9월 23일, '세른(CERN)' 등의 국제 연구팀은 충격적인 실험 결과를 하나 발표했다. '중성미자(Neutrino)'라는 소립자의 운동 속도가 '광속도(빛의 속도)'를 넘었다는 것이다. 그동안 자연계의 최고 속도라고 믿어졌던 광속도를 넘었다는 발표에 학계는 크게 술렁였다. 왜냐하면 이것은 현대 물리학의 토대라고도 할 수 있는 '상대성 이론'의 전제를 뒤집는 실험 결과이기 때문이다. 만약 이 실험 결과가 옳다면, 상대성 이론이 붕괴되거나, 이 현상을 설명하기 위해 새로운 이론을 도입해야만 하기 때문이다.
하지만 2012년 6월 8일에, 실험 결과가 다시 정정되었다. 광속을 넘어서지 않았다는 것이다. 도대체 어떤 일이 벌어졌던 것일까? 그리고 만약 '초광속(빛보다 빠른 속도)' 입자가 존재한다면 어떤 일이 일어날까?
0. 목차
- 상대성 이론의 전제
- OPERA 실험
- 재실험이 이루어지다.
- 속도 측정에 영향을 끼칠 가능성 있는 두 가지 문제점을 발견하였다.
- 중성미자는 광속을 넘지 않았다.
1. 상대성 이론의 전제
'상대성 이론(Theory of relativity)'은 '시간(Time)'과 '공간(Space)'에 대한 이론으로, 현대 물리학의 토대가 되는 이론이다. '상대성 이론'은 '광속(빛의 속도)'이 우주의 최고 속도이고, 질량을 가진 모든 물체는 광속을 넘을 수 없는 건 물론이고 광속에 도달할 수도 없다는 전제로 성립한다.
그런데 2011년 9월 23일 '세른(CERN)'에서 등의 국제 연구팀이, 실험 결과 '중성미자(neutrino)'가 광속을 넘었다는 놀라운 발표를 했다. 만약 이 실험 결과가 맞다면, '상대성 이론'의 대전제가 무너지게 된다. 그렇다면 '상대성 이론'은 붕괴되는 것일까?
2. OPERA 실험
이 실험 결과는 '중성미자'의 성질을 조사하는 'OPERA(오페라)'라는 실험에서 나온 것이다. 'OPERA(Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus)'는 중성미자 검출 프로젝트를 말한다. OPERA 실험에서는, CERN에서 가속기를 사용해 인공적으로 만든 중석미자를 약 730km 떨어진 이탈리아의 '그란사소(Gran Sasso) 지하 연구소'를 향해 발사했다. 중성미자가 광속으로 날아가는 경우보다 60나노초 빨리 검출기에 도달했다는 관측 결과가 나왔다. 그 비행 속도를 측정한 결과, 광속을 미세하게 넘었다는 것이다. 만약 국제 연구팀이 실시한 OPERA 실험 결과가 옳다면, 상대성 이론의 대전제가 무너지게 된다.
상대성 이론은 '시간'과 '공간'에 대한 다양한 불가사의한 일을 예언한다. 예컨대, '아광속(광속에 가까운 속도)'로 운동하면, 시간의 흐름이 느려진다. OPERA 실험처럼 가속기를 이용한 실험에서는 입자가 아광속으로 날아가는 것은 일상적인 일이다. '가속기(Accelerator)'란 원자핵이나 전자 등의 전기를 띤 입자를 아광속까지 가속시킨 다음 표적에 충돌시켜, 다양한 원자핵 반응과 소립자 반응을 조사하는 실험 장치이다. 가속기를 사용한 무수한 실험에 의해, 아광속으로 날아가는 입자가 상대성 이론에 따라 운동하고 있다는 사실이 실증되어 있다.
국제 연구팀은 검증에 검증을 거듭한 다음, 이제까지 옳다고 알려져 있는 상대성 이론과 달라 보이는 실험 결과를 공표했다.
2-1. 중성미자는 어떻게 포착하는가?
'중성미자(neutrino)'는 더 이상 분해할 수 없는 '소립자'의 일종이다. 다른 소립자인 '전자(electron)'은 음전기를 띠고 있지만, '중성미자(neutrino)'는 중성으로 전기를 띠고 있지 않다. 그리고 중성미자는 질량이 다른 3종의 중성미자가 알려져 있다. 이 실험에서 광속을 넘었다고 생각되는 소립자는 '뮤온 중성미자(muon neutrino)'라는 소립자였다. '중성미자'는 지구의 내부도 간단하게 통과하는 '유령 같은 입자'이다. 중성미자를 관측하려면 극히 드물게 일어나는 물질과 중성미자의 충돌 현상을 포착해야 한다.
2-2. 중성미자가 날아간 거리와 시간은 매우 정밀하게 측정되었다.
중성미자의 속도를 구하는 방법은 '중성미자가 날아간 거리÷날아간 시간'을 계산하면 된다. OPERA 실험에서는 정밀 측량 전문가도 참가하여, 가속기 실험으로 생성된 중성미자가 날아간 거리와 시간은 매우 정밀하게 측정되었다. 이때 중성미자의 속도와 광속의 차이는, 광속의 0.0025%였다.<
거리 측정에는, 정밀한 측정에 더해 'GPS(위성 위치 확인 시스템)'가 사용되었다. 중성미자의 발생원과 검출기의 거리는 약 730km이며, 오차는 약 20cm였다. 시간 측정에는 매우 정확한 원자시계가 사용되었다. 발생원과 검출기 시계의 시각은 오차 1나노초의 정밀도로 맞추어졌다. 또 관측 기기 사이의 케이블을 신호가 전달하는 시간이나 그 오차도 정밀하게 조사되었다. 최종적으로 중성미자가 날아간 시간의 정확도는 오차 10나노초 이하였다. 해석에 사용된 중성미자의 반응은 3년분의 데이터로 합계 16000개였다.
OPERA 실험에서는 CERN 연구소에서 중성미자를 발사했다. 중성미자는 지하를 지나 730km 떨어진 '그란사소 지하 연구소'의 검출기에 도달했다. 중성미자는 그 속도를 광속으로 가정한 경우보다 1억 분의 6초나 빨리 도달했다고 한다. OPERA 실험의 본래 목적은, 어떤 중성미자가 날아가는 중에 다른 종류의 중성미자로 변하는 '중성미자 진동'이라는 현상을 조사하는 일이었다. 이 실험에서 중성미자의 속도가 초광속이 나온 것은, 예상 밖의 결과였다.
2-3. 물리학자들은 측정 결과에 회의적인 반응을 보였다.
하지만 실험 결과의 신뢰성에 대해 많은 물리학자들은 회의적인 자세를 보였다. 그 배경의 하나로, 과거의 '초신성 1987A'의 관측 결과가 있다.
'초신성(Supernova)'이란 무거운 항성이 생애의 마지막에 일으키는 대폭발을 말한다. 1987A 폭발은 인류가 살고 있는 '우리 은하'의 이웃에 있는 작은 은하인 '대마젤란은하(Large Magellanic Cloud)'에서 일어났다. 대마젤란은하는 약 16만 광년 떨어져 있는데, 이 폭발이 일어났을 때 대량의 중성미자가 방출되었다. 이들 중성미자는 16만 광년 걸려서 지구에 도달해, 1987년에 관측장치 '가미오칸데(KAMIOKANDE)'를 통해 검출되었다. 이 관측에서는 초신성의 빛과 중성미자의 검출이 거의 동시에 이루어졌다. 결국 빛과 중성미자는 거의 같은 속력으로 우주 공간을 16만 년 걸려서 날아와 거의 동시에 도달한 것이다. 만약 OPERA 실험대로 0.0025%의 속도차가 있었다면, 초신성에서 나온 중성미자는 망원경으로 본 빛의 관측보다 약 4년 전에 지구에 도달했어야 한다.
'초신성의 중성미자'와 'OPERA 실험의 중성미자'는 1000배 정도의 에너지 차이가 있다. 바로 이런 점이 둘 사이의 차이를 가져왔는지도 모른다는 의견도 나왔다. 단, OPERA 실험의 범위에서는 에너지에 의한 속도의 차이를 논의하기에 충분한 데이터가 확보되어 있지 않다.
2. 만일 초광속 입자가 존재한다면
상대성 이론에 따르면, 질량이 있는 물체를 가속시키면 가속시킬수록 무거워진다. 광속에 접근함에 따라 물체의 질량은 무한대를 향에 커지는 것이다. 무거워질수록 가속시키기 어려워지므로, 물체의 속도는 광속에 결코 도달할 수 없다. 따라서 이번에 중성미자가 광속을 어떻게 넘었는지가 설명되지 않는다.
2-1. '중성미자'는 '타키온'의 성질을 가졌다?
단, 상대성 이론의 이러한 제한을 교묘하게 피하는 방법도 이론적으로 생각된다. 상대성 이론에서는 물체를 가속시켜 광속에 도달하는 일이 금지되는데, 태어난 순간부터 광속을 넘은 경우에는 상대성이론에 제한받지 않는다. 이와 같은 상상 속의 초광속 입자를 '타키온(tachyon)'이라고 한다. 타키온은 매우 기묘한 성질을 가지고 있을 것으로 예상된다. 보통의 물체와는 반대로, 광속을 밑돌 수가 없다. 그리고 에너지를 잃을 정도로 가속해, 최종적으로는 속도가 무한대에 이른다. 또 질량은 '허수(imaginary number)'이다.
다만, 타키온이 실제로 존재한다는 징후는 실험으로나 천문 관측으로나 발견된 적이 없다. 그리고 대부분의 물리학자들은 타키온이 존재하지 않는다고 생각하고 있다. 하지만 이번 실험 결과가 옳다면, 중성미자가 타키온의 성질을 가졌을 가능성이 있다. 만약 그렇다면, 여러 가지 소립자 실험과 모순이 생긴다.
그리고 '중성미자(Neutrino)'가 초광속으로 날아간 것이 사실이라고 해도, 보통 물질이 초광속으로 날아가지 못하는 것에는 변함이 없다. 따라서 초광속으로 만들어진 로켓은 실현될 수 없을 것으로 생각된다.
2-2. 중성미자는 고차원의 지름길을 지났다?
'중성미자가 고차원의 지름길을 지났기 때문에 빛보다 빨리 날아간 것'으로 보는 견해도 있다. 이를 이해하기 위해, 지구 반대편으로 가는 길을 생각해 보자. 지구의 표면을 지나는 것보다, 지구를 관통하는 것이 지름길이다. 이 비유에서, 지구의 표면을 지나는 것이 '빛'이고, 지구를 관통하는 것이 '중성미자'이다. 즉, 중성미자가 고차원 공간을 광속 미만으로 날아간다고 해도, 이와 같은 루트를 지나면 3차원 공간에서 봤을 때 빛보다 빠른 것으로 보일 수 있다는 뜻이다.
실제로 우리가 감지할 수 있는 3차원 공간을 넘는 차원이 존재한다는 '브레인 월드 가설(Brane World Hypothesis)'이 있다. '브레인 월드 가설'에서는 우리가 사는 3차원 공간은 고차원 공간에 떠있는 '브레인(Brane)'이라고 불리는 막과 같은 존재라고 생각한다. 근년에 소립자 물리학이나 우주론 분야에서도 활발하게 논의되고 있다. 일반적으로 이 가설에서는, 고차원 공간에서 자유로이 전해지는 것은 중력을 전하는 '중력자(Graviton)'라는 소립자뿐이라고 말한다. '중력자'는 이론적으로 존재한다고 예측되지만, 아직 발견되지는 않았다. '중력자 외의 것(빛이나 물질 등)'은 3차원 공간인 '브레인(Brane)'에 가두어져, 고차원으로 나갈 수 없다고 한다.
OPERA의 실험을 설명하려면, 중성미자가 '브레인(Brane)'을 떠나 고차원 공간을 날아갈 수 있도록 하면서, 다른 소립자는 그렇지 되지 못하는 이론을 만들면 된다. 하지만 중성미자만 브레인을 떠날 수 있고 빛은 떠나지 않는다는 꿰맞추는 식의 이론은 부자연스럽다.
3. 재실험이 이루어졌다.
3-1. 중성미자의 비행시간을 더욱 엄밀하게 측정하였다.
2011년 9월에 실험 결과가 발표된 후, 실험 방법과 결과의 해석 방법에 대해 여러 문제점이 지적되었다. OPERA 연구 그룹은 이런 지적을 받고, 중성미자의 속도를 다시 확인하기 위해 재실험을 시도했다.
재실험에서는 'CERN 연구소'에서 약 730km 떨어진 '그란사소 지하 연구소'를 향해 '시간 간격을 두고' 중성미자의 빔을 발사했다. 이전 실험에서는 빔이 끊임없이 나왔다. 빔을 부분석으로 생략하고 발사 간격을 넓히면, 측정할 수 있는 중성미자의 전체 수는 줄어든다. 하지만 검출된 중성미자가 언제 만들어졌는지 특정하기 쉬워지기 때문에, 이전 실험에서 생겼을 가능성이 있는 오차가 줄어든다. 즉, 중성미자의 비행 시간을 더욱 엄밀하게 측정할 수 있게 되는 것이다.
3-2. 이번에도 결과는 '중성미자는 빛보다 빨랐다.'였다.
그리고 2011년 11월 18일에 재시험 결과가 발표되었다. 실험 결과는 이번에도 마찬가지로 '중성미자는 빛보다 빨랐다.'였다. 다만, 빔의 발사 방법 등이 연구되었다고 해도, 시간 측정 방법은 기본적으로 지난번과 동일했다. 그래서 이 재시험 결과로 인해 중성미자가 빛보다 빠르다는 사실이 증명된 것이 아니라, 다시 제3자에 의한 검증이 요구되었다.
4. 속도 측정에 영향을 끼칠 가능성 있는 두 가지 문제점을 발견하였다.
그래서 일단 실험에 사용하는 CERN의 가속기가 2011년 12월부터 2012년 2월에 걸쳐 운용 중지되었다. 그리고 연구 그룹은 실험의 시스템에 문제가 없는지 집중적으로 검증했다. 그리고 2012년 2월 23일, 속도 측정에 영향을 끼칠 가능성이 있는 두 가지 문제점을 발견했다고 발표하였다. 그 두 가지 문제점이란 '케이블의 접속 불량'과 '시계의 동기 시스템 불량'이다. '케이블의 접속 불량' 문제는 중성미자의 속력을 빠르게 계산하게 되는 문제였고, '시계의 동기 시스템 불량' 문제는 중성미자의 속력을 느리게 계산하게 되는 문제였다.
OPERA 실험에는 데이터 통신을 위해, 총 연장 8.3km에 이르는 광섬유 케이블이 사용되었다. 빛이나 중성미자의 광속을 정밀하게 측정하는 OPERA 실험에서는, 이 케이블 속을 광신호가 오가는 데 필요한 시간도 정밀하게 측정해야 한다. 검증 결과, 2006년과 2007년에 측정된 시간에 비해 케이블을 나아가는 데 걸리는 시간이 약 74나노초 길어졌다. 이것은 결과적으로 중성미자의 비행 시간을 74나노초 짧게 계산하는, 즉 실제보다 빠른 속도로 날아가는 것처럼 보이는 결과가 된다. 이 원인으로 떠오른 문제점이 '케이블의 접속 불량'이다. 어떤 광섬유의 접속 부분이 튼튼하게 접속되어 있지 않고 몇 mm 떨어져 있었던 것이다. 이처럼 틈이 있으면, 접속 부분에서 빛의 신호가 미세하게 약하게 전달되어, 결과적으로 케이블을 나아가는 데 걸리는 시간이 길계 계산된다.
'시계의 동기 시스템 불량'은 GPS와 시계의 맞춤에 관한 문제이다. OPERA에서는 중성미자가 몇 시에 스위스의 'CERN 연구소'를 출발해, 몇 시에 이탈리아의 '그란사소 지하 연구소'에 도착했는지를 정밀하게 측정한다. 이때 출발지와 도착지의 시계가 다르면 정확하게 측정할 수가 없다. 그래서 OPERA는 GPS 위성이 발신하는 시간 정보를 사용해 시계를 맞추고 있다. 그런데 이 시계를 맞추는 컴퓨터에서 문제가 발견된 것이다. 이 문제 때문에, 중성미자의 비행 시간이 약 15나노초 길게 계산되어, 결과적으로 실제보다 느리게 날고 있는 것처럼 보였다는 사실이 밝혀졌다.
5. 중성미자는 광속을 넘지 않았다.
CERN에는 OPERA 실험 그룹 외에도 소립자 물리학 실험을 하고 있는 몇몇 연구 그룹이 있다. 그중 하나인 'ICARUS(이카루스)'가 OPERA와 마찬가지로 CERN에서 이탈리아의 '그란사소 지하 연구소'를 향해 발사된 중성미자의 속도를 측정하였다. 그리고 2012년 3월 16일에 그 측정 결과가 발표되었다. 발표 내용은 중성미자의 속도는 광속을 넘지 않는다는 것으로, OPERA의 실험 결과를 부정하는 내용이었다. ICARUS는 중성미자의 속도를 측정할 때, OPERA와는 다른 시계 시스템을 사용하였다. 2월에 이미 케이블 문제가 발표된 데다, ICARUS의 부정적인 결과까지 나오면서, OPERA의 실험 결과는 신뢰를 받지 못하게 되었다.
OPERA 연구 그룹은 케이블이나 시계 맞춤의 문제점을 해소하고 나서, 2012년 5월에 2주일에 걸쳐 중성미자의 속도를 다시 측정하였다. 그리고 2012년 6월 8일에 그 결과를 발표했다. 그 내용은 중성미자의 속도는 광속을 넘지 않는다는 것이었다. 중성미자와 빛의 속도 차이는 오차 범위 내였고, 명확한 차이는 발견되지 않았다. 중성미자의 속도가 광속보다 빠르게 보인 것은 '케이블의 접속 불량'이 주원인이었다. 중성미자의 속도는 OPERA 외에도 '이카루스(ICARUS)', '보렉시노(Borexino)', 'LVD' 등 합계 4개 그룹에 의해 측정되었다. 측정 결과는 모두 '중성미자는 광속을 넘지 않는다.'는 것이었다.
6. 사건 타임라인 정리
- 2011년 9월 23일: OPERA 실험에서, 중성미자의 속도가 광속을 웃돌았다고 발표함.
- 2011년 11월 18일: 중성미자의 발사 방법을 연구한 후에 이루어진 OPERA의 재실험에서도, 역시 중성미자의 속도가 광속을 웃돌았다고 발표함.
- 2012년 2월 23일: '케이블의 접속 불량'과 '시계의 동기 시스템' 불량 때문에, 속도에 오차가 있었을 가능성을 발표함.
- 2012년 3월 16일: ICARUS의 실험 결과, 중성미자의 속도는 광속을 넘자 않는다고 발표함.
- 2012년 6월 8일: OPERA 연구팀은 문제점을 해소하고 재검증 실험 결과, 중성미자의 속도가 광속을 넘지 않는다고 발표함. 즉, '초광속 중성미자' 발표 내용을 철회함.