스페이스 클럽 대형 강자론 충돌기는 여전히 단명한 양자 블랙홀과 만물 이론을 찾고 있습니다

[인공위성]

대형 하드론 충돌기에서 생성된 양자 블랙홀의 일러스트 (이미지 출처: Robert Lea (Canva로 제작))

이 글을 공유하세요

1

대화에 참여하세요

구글에서 우리를 선호 소스로 추가하세요

블랙홀을 생각할 때, 우리는 주변 모든 것을 집어삼키는 지배적인 우주 타이탄을 상상하는 경향이 있습니다. 하지만 수년간 과학자들은 훨씬 작지만 수명이 짧은 블랙홀의 존재에 대해 고민해 왔습니다. 세계에서 가장 강력한 입자 가속기인 대형 하드론 충돌기(LHC)를 이용해 과학자들은 원자보다 작은 양자 블랙홀을 찾아 나서고 있습니다. 이 질문은 까다로운데, 이 블랙홀들은 크기만큼이나 짧은 수명을 가질 수 있기 때문입니다.

이러한 천체의 발견은 '시공간'이라는 4차원 실체로 결합된 시공간 구조를 둘러싼 미스터리를 푸는 데 도움이 될 수 있습니다.

또한 연구자들이 지금까지 양립하지 않았던 일반 상대성 이론(중력에 대한 최선의 설명)과 원자보다 작은 규모로 우주를 설명하는 양자 물리학 이론을 통합하는 양자 중력 이론을 개발하는 데 도움이 될 수 있다.

"만약 우리가 증거를 찾았다면, 우리는 양자 중력을 직접 연구할 수 있었을 것이다."라고 LHC 실험인 Compact Muon Solenoid(CMS)의 연구원 타마스 바미는 성명에서 말했다. "이는 100년 넘게 물리학자들이 목표로 삼아온 모든 알려진 근본적 힘을 통합하는 단계입니다."

안타깝게도 이 탐색은 지금까지 성과를 거두지 못했지만, 그렇다고 헛된 것은 아닙니다. 이 경우 영광은 이 작은 블랙홀들의 탐색 매개변수를 재정의하고, 입자 물리학의 표준 모형을 넘어 새로운 입자를 찾는 데 사용할 수 있는 방법을 완성하는 데 도움을 줍니다.

"막다른 길이 아니에요," 인칸델라 연구소 연구원 장단이 설명했다. "그 결과는 배제 제한(exclusion limit)으로, 이는 실제로 출판할 수 있는 진술입니다: '만약 이런 특성을 가진 것이 존재했다면, 우리는 이미 봤을 것이다. 우린 못 했으니 여기서 제외할 수 있어.'

"그건 우주가 어떻게 작동하는지에 대한 진정한 지식이야."

새로운 패러다임을 찾는 여정

우주의 가장 매혹적인 미스터리에 대한 해답은 표준 모형 너머의 물리학에 있다고 이론화됩니다. 새로운 물리학은 고에너지 준위에서만 나타날 수 있는데, 이는 LHC가 광속에 가까운 속도로 양성자를 부딪혀 생성하는 에너지와 같습니다.

지금까지 이 새로운 물리학은 LHC에서 나타나지 않았지만, 이는 과학자들이 아인슈타인의 일반 상대성 이론 발전과 견줄 만한 규모의 패러다임 전환을 모색하려는 의지를 더욱 높이 만들었다.

과학자들은 또한 LHC에서 일어나는 수조 건의 양성자 충돌에서 양자 블랙홀이 발생할 수 있다고 생각합니다. 이는 종종 LHC가 종말을 초래할 안정적인 블랙홀을 만들 잠재력으로 오해받지만, 실제로 세계에서 가장 강력한 입자 가속기가 블랙홀을 만든다면 즉시 증발할 것이며, 지구를 삼키기에는 너무 빠를 것입니다.

고전적인 천체물리학적 블랙홀은 거대한 별이 자신의 중력에 의해 붕괴하면서 중심이 극히 작은 점으로 압축될 때 형성됩니다. 반면 양자 블랙홀을 만들려면 에너지를 아주 작은 부피로 압축해야 합니다.

LHC는 블랙홀을 만들 수 있지만, 이 종류의 블랙홀은 불가능합니다. (이미지 출처: NASA)

한 이론은 이 압축이 끈 이론이나 표준 물리학의 다른 확장에서 요구하는 '숨은' 차원에서 발생할 수 있다고 제안합니다. 이러한 숨겨진 차원들은 중력이 우주의 네 가지 근본적인 힘 중 가장 약한 이유를 설명할 수도 있는데, 이는 수십 년간 과학자들을 혼란스럽게 해온 부분입니다. 이 제안이 맞다면, 중력은 이 추가 차원들로 '누출'되어 훨씬 강해질 것입니다.

LHC에서 생성되는 극도로 높은 에너지는 원자가 우리 몸에 있는 원자와 같은 매우 작은 거리에 해당합니다. 양자 블랙홀을 찾기에 완벽한 규모입니다.

어떻게 해소되는 블랙홀을 감지하나요

블랙홀이 즉시 사라진다면, LHC의 정교한 검출기라도 직접 검출하는 것은 불가능합니다. 더 쉬운 방법은 붕괴 시 방출되는 입자와 에너지를 통해 그런 물체를 감지하는 것입니다.

양자 블랙홀의 붕괴는 그 형태와 에너지 측면에서 매우 독특한 흔적을 남깁니다.

"당신은 블랙홀을 만들고, 즉시 분해됩니다. 하지만 매우 구형적인 붕괴 신호를 가지고 있고, 모든 방향으로 많은 것들이 움직이고 있습니다,"라고 장 장은 말했습니다. "우리는 블랙홀이 매우 높은 에너지를 가지고 있다는 것을 알고 있습니다. 즉, 충돌에서 생성된 물질의 붕괴 산물인 이 입자들의 에너지를 합산하는 것입니다. 그리고 합이 충분히 크다면, 이 지역에서 신호를 찾을 가능성이 높다고 말할 수 있습니다."

장과 동료들은 CMS 검출기가 수집한 데이터를 12 테라-전자볼트(TeV)까지 분석하는 새로운 기법을 사용했다. 양자 블랙홀이나 숨겨진 차원의 증거를 찾지는 못했지만, 낙담하지는 않았다.

"이론은 단 하나의 정확한 답을 예측하지 않는다; 입자가 숨어 있을 수 있는 다양한 장소를 예측합니다," 장은 말했다. "각 검색은 그 범위의 일부를 지우고 '여기는 없다'고 표시하며, 시간이 지나면서 새로운 물리학이 여전히 존재할 수 있는 지도가 줄어든다."

이 기술은 특히 LHC 연구에 검증된 방법입니다. 이 제거 과정은 2012년에 힉스 보존의 발견으로 이어졌습니다. 양자 블랙홀 탐색은 분명히 가치가 있습니다. 이는 20세기 초 일반 상대성 이론과 양자 물리학이 발전한 이후 물리학자들을 괴롭혀온 두통을 달래줄 수 있다.

LHC의 CMS 검출기 내부. (이미지 출처: CERN)

더 많은 데이터가 수집되고 더 높은 에너지 영역이 탐구됨에 따라 양자 블랙홀을 그 산물로 발견할 확률이 증가합니다. 그리고 이는 연구자들을 양자 물리학과 일반 상대성 이론의 통합에 매우 가까이 있게 할 것입니다.

"우리는 자연을 설명하는 두 가지 큰 이론이 있습니다. 작은 것을 설명하고 싶다면 양자장 이론을 참고하세요. 우리는 모든 입자를 설명하는 표준 모형을 가지고 있으며, 실제로는 매우 우수한 성능을 보입니다. 그리고 매우, 매우 큰 범주에 가면, 크고 거대한 물체가 어떻게 행동하는지 설명하는 일반 상대성 이론이 생긴다"고 바미는 말했다. 이 이론들이 겹치는 조건이 매우 희귀하다는 사실에서 이 이론들을 통합하는 데 어려움이 생긴다고 덧붙였다.

"그건 정말 어려운 거예요. 왜냐하면 아주 작지만 동시에 매우 무거운 상황을 자주 겪는 일은 아니거든요."

양자 효과는 천체물리학적 블랙홀 가장자리에서 작용하지만, LHC에서 생성될 작은 블랙홀에서는 이 효과가 더욱 중요합니다.

이러한 이유로, 양자 블랙홀 탐색은 이런 연구가 이 호기심 많은 천체들을 숨길 곳이 없게 만들 때까지 계속될 것입니다.

이 연구팀은 학술지 『고에너지 물리학 진보』에 게재되었습니다.

스페이스 클럽(Space Club)