아인슈타인 상대성 이론을 뒤집는 실험 결과?

출처 http://zone.ni.com/devzone/cda/pub/p/id/1558

작성일 2012.4.13

아인슈타인 상대성 이론을 뒤집는 실험 결과?

뜻밖의 실험 결과가 나왔습니다. 이 실험 결과는 OPERA(Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) 실험을 수행했던 이탈리아 Gran Sasso 국립실험실(LNGS)에서 실제 발생한 일입니다. OPERA 실험 팀은 빛보다 빠른 중성미자(뉴트리노)의 운동을 관측했습니다. 빛은 우주에서 가장 빠른 존재이며 아인슈타인의 상대성 이론의 근간이 되는 개념입니다. 매우 조심스러운 관측 결과를 공개하면서 다른 과학자들의 의견을 수용한다는 자세로 후속 관측과 분석 작업이 다시 진행 중입니다. 만약, 그 결과가 실제로 검증된다면 물리학의 법칙을 완전히 뒤집을 것입니다.

The OPERA 실험

OPERA 실험팀의 목적은 중성미자의 운동 현상(neutrino oscillations)을 관측하는 것이었습니다. 이를 검증하기 위해서, 유럽입자물리연구소(CERN)는 LNGS와 공동으로 중성미자의 운동을 연구하였습니다. 중성미자의 운동은 과학자들이 물질의 구성과 작용되는 힘을 이해하는 데 도움을 주는 입자 물리학으로 근원적 물리학의 본질도 밝혀줍니다. 스위스 제네바에 위치한 CERN 연구소는 700km 떨어진 이탈리아 Gran Sasso 실험실까지 땅 속으로 고강도 고에너지의 뮤온중성미자 빔을 OPERA 탐지기를 향해서 내보냈습니다. OPERA 탐지기의 임무는 3ms 운동(지하에서 11km, 지구의 지표에서 730km, 제네바에서 Gran Sasso까지) 중에 뮤온 중성미자의 이동에서 타우 중성미자를 확인하는 것입니다. 중성미자의 반응을 확인하기 위해서 연판 틈새에 사진 유제 필름을 끼어 넣은 브릭을 조립하여 3,328개 브릭을 사용한 벽을 만들었습니다. 모든 브릭은 57개의 감광유제 필름과 연판으로 구성됩니다. 이 엄청난 탐지기의 전체 무게는 1,800톤 가까이 됩니다. 이 탐지기는 서로 다른 물질의 덩어리이므로 연구팀은 상이한 구성요소를 조립할 때 매우 신중해야 합니다. 얇은 사진 필름과 연판이 약간만 어긋나도 탐지기는 중성미자 상호작용의 궤적을 추적할 수 없습니다. 정확한 결과를 얻기 위해, 브릭과 벽의 비틀림 오차는 0.05mm(50 μ) 이내여야 합니다.

LNGS의 OPERA 프로젝트 탐지기는 여러 물질로 이루어진 덩어리로 약 1,800 톤의 무게에 달합니다.

이후 실험에서 계속 비슷한 결과가 나왔고, 이제는 외부적인 부정확성을 찾아내는 데 집중하고 있습니다. 그렇다면 아인슈타인의 상대성 이론이 위태로운 걸까요? 중성미자 운동을 연구하려는 OPERA 실험 팀은 뜻하지 않게 물리학의 근본 법칙을 깬 것처럼 보이는데, 앞으로 추가 검증을 통해 이 새로운 발견을 명백하게 검증할 것입니다.

본 문서는 2012년 1분기 Instrumentation Newsletter에서 발췌한 내용입니다. 전체 내용을 살펴보시려면 다음을 방문하세요.

http://korea.ni.com/news/instrumentation

이후 결과는 다들 알다시피 해프닝으로 끝났습니다.

  '빛보다 빠른 물질은 없다’는 물리학의 근본 법칙을 흔드는 이전의 유럽입자물리연구소(CERN)의 중성미자(뉴트리노) 연구팀인 OPERA의 실험 결과는 결국 사소한 실수에서 빚어진 ‘오해’이자 ‘해프닝’으로 막을 내렸습니다. 기사 내용중 일부를 적어보면 아래와 같습니다.

 “중성미자가 빛보다 빠르다.”는 연구 결과를 오는 8일 일본 교토에서 열리는 뉴트리노·우주물리 국제학회에서 정식 철회할 것이라고 전했다. 중성미자는 현대 물리학에서 만물을 구성하는 물질을 나타내는 표준 모형에서 가벼운 입자에 속하는 물질로, 질량이 거의 없으며 일반 원자와 상호작용을 하지 않아 어느 곳에서나 진공 상태처럼 저항 없이 움직이는 것으로 알려져 있다. 오페라 연구팀은 스위스 제네바의 CERN에서 732㎞ 떨어진 이탈리아 그란사소까지 중성미자를 보내는 실험을 3년간 진행했으며, 중성미자가 빛보다 60나노초 빠르게 목적지에 도착한다는 연구 결과를 지난해 발표했다. 전 세계 물리학계와 언론은 충격에 빠졌다. ‘빛보다 빠른 물질은 없다’는 아인슈타인의 전제가 틀릴 경우 현대 물리학은 잘못된 가설 위에 세워져 있는 셈이 되기 때문이다. (중략)

사실 주변 대부분의 물리학도들은 실험 오류 일것으로 예상했었습니다. 알려진 원인은 다음과 같습니다.

물리학계는 이후 실험 장치의 설계가 잘못됐거나 기기상의 문제는 없었는지를 살피기 시작했다. 그리고 지난 2월 연구진은 장치 오류 가능성을 찾아냈다. 케이블과 검출기의 컴퓨터가 느슨하게 연결되면서 이동하는 중성미자의 위치와 시간을 재는 GPS 광신호가 수십 나노초 지연될 수 있다는 것이다. 이 경우 중성미자의 속도는 진짜 속도보다 느리게 측정돼야 한다. 반년여에 걸친 아인슈타인에 대한 의심이 풀리는 순간이었다. 물리학자들이 중성미자의 속도를 잰 것은 이번이 처음은 아니다. 미국 페르미연구소나 일본의 슈퍼카미오칸데에서도 중성미자의 속도를 측정하려는 시도가 있었고, 일부에서는 중성미자의 속도가 빛보다 빠른 것으로 나타나기도 했지만 최종적으로는 오차범위 내이거나 실험 오류로 판명됐다. 

하지만 이번 해프닝으로 '빛보다 빠른 입자가 없다'라는 아이슈타인의 가설을 맹신하고 있는 제 자신을 다시 보게 되었습니다. 뉴턴의 물리학이 양자역학의 등장과 함께 미시 세계에서는 맞지 않으며 이제는 고전 물리학으로 불리고 있다는 사실을 상기할 필요가 있었습니다. 물리학은 가설이 실험을 통해 검증되는 과정을 거쳐 이루어져 왔습니다. 아직 과학기술이 가설을 검증할 정도의 수준에 도달하지 않았을지도 모르니까요.