양자물리학의 기본 규칙 가운데 하나가 흔들릴 수 있다는 연구 결과가 나왔다. 과학자들은 지금까지 모든 입자가 ‘보손’이나 ‘페르미온’ 둘 중 하나라고 여겨졌지만, 그 사이 어딘가에 존재하는 이상한 입자인 ‘애니온’이 1차원에서도 존재할 수 있다는 사실을 확인했다고 밝혔다.
애니온, 양자물리학의 규칙을 무너뜨리다
지금까지 양자물리학은 우주 속 모든 기본 입자를 두 종류로 나눠 설명해 왔다. 빛 입자인 광자처럼 힘을 전달하는 입자는 ‘보손’, 전자·양성자·중성자처럼 물질을 이루는 입자는 ‘페르미온’으로 분류된다.
이 둘의 차이는 입자 두 개가 서로 자리를 바꿀 때 나타난다. 보손은 위치를 바꿔도 상태가 그대로 유지되지만, 페르미온은 상태의 부호가 반대로 바뀐다. 과학자들은 오랫동안 이 두 경우 외에는 존재하지 않는다고 생각했다.
하지만 1970년대부터 일부 양자물리학자들은 낮은 차원에서는 그 중간 형태의 입자가 가능할 수 있다고 예측했다. 이 입자가 바로 ‘애니온’이다. 애니온은 보손도 아니고 페르미온도 아닌, 말 그대로 “중간 어딘가”에 있는 입자다.
2020년에는 연구진이 초저온 반도체 경계면에서 실제 애니온의 존재를 관측하기도 했다. 그리고 이번에는 연구팀이 한 걸음 더 나아갔다. 연구진은 1차원 시스템에서도 애니온이 존재할 수 있다는 이론적 근거를 제시했다.
1차원 애니온은 성질까지 조절할 수 있다
보통 3차원 공간에서는 입자들이 서로를 돌아 지나가며 위치를 바꾼다. 하지만 1차원에서는 그럴 수 없다. 입자들은 서로를 직접 통과해야만 자리를 교환할 수 있다. 연구진은 바로 이 점이 양자 규칙 자체를 바꾼다고 설명했다.
특히 이번 연구에서 가장 주목받는 부분은 “조절 가능한 애니온” 개념이다. 연구진은 1차원 애니온의 교환 성질이 입자 사이의 짧은 거리 상호작용 강도와 연결돼 있다는 사실을 발견했다. 이는 과학자들이 미래 실험에서 애니온의 성질을 직접 조절할 수도 있다는 뜻이다.
연구진은 이미 이런 실험을 수행할 수 있는 초저온 원자 시스템 기술이 존재한다고 설명했다. 앞으로 실제 실험으로 이어진다면, 지금까지 알려지지 않았던 새로운 양자 현상을 연구할 길이 열릴 가능성이 있다.
한 양자물리학 전문가는 “왜 우주의 입자는 항상 보손과 페르미온 두 종류뿐인지 우리는 오래전부터 궁금해해 왔다”며 “이번 연구는 양자 세계의 가장 근본적인 성질을 이해하는 새로운 문을 열었다”고 말했다.
성치훈 기자/ hello@sciencewave.kr
출처: ScienceDaily, “Physicists discover quantum particles that break the rules of reality”
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