대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider, LHC)의 실험에 참여한 과학자들은 전자기장과의 충돌에서 거대한 W입자가 나오는 것을 관측했다.

LHC는 엘버트 아인슈타인(Albert Einstein)의 E = mc²를 사용하여 물질을 에너지로 변환한 다음 다시 다른 형태의 물질로 변환한다. 그러나 드물게 첫 번째 단계를 건너 뛰고 전자파의 형태로 순수한 에너지와 충돌 할 수 있다.

작년에 LHC에서 ATLAS 실험은 두 개의 광자, 빛의 입자가 서로 튀어나와 두 개의 새로운 광자를 생성하는 것을 관찰했다. 올해 그들은 그 연구를 한 단계 더 발전시켰고 광자가 병합돼 훨씬 더 흥미로운 것으로 변하는 것을 발견했다.

W 보손(boson), 약력( weak force)을 지니는 입자는 핵 붕괴를 지배한다.

이 연구는 에너지와 물질이 동전의 양면이라는 LHC 내부 프로세스를 관리하는 핵심 개념을 설명하는 데 그치지 않는다. 또한 충분히 높은 에너지에서 일상 생활에서 분리된 것처럼 보이는 힘(전자기 및 약력)이 결합돼 있음을 확인한다.

두 개의 레이저 포인터의 빔을 교차해 집에서 이 광자 충돌 실험을 복제하려고 하면 새롭고 거대한 입자를 만들 수 없다. 대신 두 개의 광선이 결합돼 더 밝은 광선을 형성하는 것을 볼 수 있다.

미국 에너지부(DOE) 로렌스 버클리국립연구소의 사이먼 페간 그리소(Simone Pagan Griso)는 “돌아가서 고전 전자기학에 대한 맥스웰 방정식을 살펴보면 충돌하는 두 파동이 더 큰 파동으로 합산되는 것을 볼 수 있다. 우리는 소위 양자 전기 역학 이론에서 특수 상대성 이론과 양자 역학을 가진 맥스웰 방정식을 결합했을 때 ATLAS에서 최근에 관찰 한이 두 가지 현상을 볼 수 있다”고 말했다.

2018년 아틀라스 이벤트는 두 개의 광자에서 한 쌍의 W BOSON이 생성과 W BOSON이 뮤온과 전자(검출기에서 볼 수 있음) 및 중성자(검출되지 않음)로 잇달아 붕괴함을 보였다. credit : CERN.

CERN의 가속기 복합체 내부에서 양성자는 빛의 속도에 가깝게 가속된다. 특수 상대성이 LHC에서 일어나는 과정에 대한 고전적인 운동 법칙을 대체함에 따라 그들의 일반적으로 둥근 형태는 운동의 방향을 따라 붕괴된다. 들어오는 두 양성자는 서로 똑같이 압착된 전자기장을 동반하는 압축 팬케이크로 간주한다. 양성자는 대전되고 모든 대전 입자는 전자기장을 갖는다. 길이 수축과 결합 된 LHC의 에너지는 양성자의 전자기장의 강도를 7500배 증가시킨다.

두 개의 양성자가 서로를 스치면서, 찌그러진 전자기장이 교차한다. 이 필드는 낮은 에너지에 적용되는 고전적인 “증폭”을 건너 뛰고 대신 양자 전기 역학에 설명된 규칙을 따른다. 이러한 새로운 법칙을 통해 두 필드가 병합돼 E = mc²에서 “E”가 될 수 있다.

ATLAS 실험을 위한 미국 본부 브룩헤이븐 국립연구소(Brookhaven National Laboratory) 연구원 알레산드로 트리콜리(Alessandro Tricoli)는 “E = mc² 방정식을 오른쪽에서 왼쪽으로 읽으면 빛의 제곱 속도 c² 상수로 인해 소량의 질량이 엄청난 양의 에너지를 생성한다는 것을 알 수 있다. 그러나 공식을 반대로 보면 아주 작은 양의 질량도 생성하려면 엄청난 양의 에너지로 시작해야 한다는 것을 알 수 있다”고 말한다.

LHC는 지구상에서 에너지 광자를 생성하고 충돌할 수 있는 몇 안되는 장소 중 하나이며 과학자들이 두 에너지 광자가 병합돼 거대한 W 보손으로 변하는 것을 목격한 유일한 장소다.

고 에너지 광자에서 W 보손의 생성은 1979년 노벨 물리학상(Sheldon Glashow, Abdus Salam 및 Steven Weinberg)을 수상한 발견의 예를 보여준다.

전기와 자기는 종종 별개의 힘처럼 느껴진다. 트리콜리는 “자석은 전자기의 한 가지 표현이고 전기는 또 다른 것이다”라며 “그러나 그것은 모두 전자기파이며, 우리는 전자기파를 통해 통신하는 휴대폰과 같은 일상적인 기술에서 이러한 통합을 본다”고 말한다.

극도로 높은 에너지에서 전자기학은 또 다른 근본적인 힘인 약력과 결합한다. 약력은 수소가 태양에 동력을 공급하는 헬륨으로의 융합과 방사성 원자의 붕괴를 포함해 핵 반응을 제어한다.

연구팀에 따르면 광자가 전자기력을 전달하는 것처럼 W 및 Z 보손은 약력을 전달한다. 광자가 충돌해 LHC에서 W 보손을 생성할 수 있는 이유는 가장 높은 에너지에서 이러한 힘이 결합해 전기 약력을 만들기 때문이다.

그리소는 “이 현상은 자연이 양자 역학이기 때문에 실제로 일어나고 있다”고 설명했다.