개별 양성자 내부에서 양자 얽힘 최초 발견

오랫동안 과학자들은 양성자(proton)를 구성하는 미세한 입자들인 쿼크(quark)와 글루온(gluon)이 양자 얽힘(quantum entanglement)을 경험할 것이라고 추측해왔다. 이제 연구자들은 이러한 현상에 대한 최초의 직접적인 증거를 확보했다. 이들은 아원자 입자의 엔트로피(entropy)를 추정하는 특별한 기법을 사용하여 이를 확인했다.

양자 얽힘은 두 입자가 서로 얽혀 있어 하나의 입자에 변화가 생기면, 다른 입자도 즉시 변화하는 현상이다. 이 두 입자가 얼마나 떨어져 있어도 상관없이 이런 변화가 일어난다. 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)은 이를 “멀리서 일어나는 유령 같은 작용(spooky action at a distance)”이라고 불렀지만, 이후 실험을 통해 이 현상이 실제로 존재함이 입증되었다.

물리학자들은 쿼크 간의 얽힘을 이전에도 관찰한 바 있지만, 양성자 내부에서 쿼크와 글루온이 얽혀 있다는 증거는 처음으로 발견된 것이다. 연구팀은 프로톤 내부에서 쿼크와 글루온이 1000조 분의 1 미터(1/10^15m) 정도의 거리에서 얽힘을 경험하며 정보를 공유하고 있음을 발견했다.

그동안 양성자는 쿼크와 글루온이 모여 있는 단순한 집합체로 여겨졌다. 하지만 이제 쿼크와 글루온이 얽힘 상태에 있다는 사실이 밝혀지면서, 양성자는 훨씬 더 복잡하고 동적인 구조를 가진 존재로 다시 평가되고 있다. 공동 저자인 미국 브룩헤이븐 국립연구소(Brookhaven National Laboratory)의 물리학자 주우둔밍 투(Zhoudunming Tu)는 “쿼크와 글루온이 얽힘 상태에 있다는 증거가 나온 지금, 우리는 프로톤에 대한 전통적인 관점이 변화했음을 알 수 있다”라고 말했다.

양자 얽힘 현상은 1970년대에 처음 실험적으로 입증되었지만, 아직 쿼크 간 얽힘과 같은 현상에 대해 풀리지 않은 부분들이 많다. 이는 쿼크들이 단독으로 존재하지 않고, 여러 입자들이 결합된 하드론(hadron) 상태로 존재하기 때문이다. 예를 들어, 프로톤은 세 개의 쿼크가 강한 힘을 전달하는 글루온에 의해 결합된 입자이다.

하드론에서 쿼크를 떼어내면, 그 과정에서 발생하는 에너지가 쿼크를 불안정하게 만들어 다른 입자들로 분해되는데, 이를 하드로나이제이션(hadronization)이라고 한다. 이 때문에 입자의 붕괴 산물을 분석해 원래 상태를 복원하는 작업이 매우 어려워진다.

그러나 연구자들은 이러한 어려움을 극복하고 실험을 진행했다. 그들은 대형 하드론 충돌기(LHC)와 하드론-전자 링 가속기(HERA) 실험에서 수집된 데이터를 분석했다. 그리고 양자 정보 이론(quantum information theory)에서 제시된 원리를 적용하여, 양자 얽힘이 있는 시스템의 엔트로피가 증가한다는 사실을 활용했다. 이로 인해 입자들의 분포가 더 복잡하고 혼란스러워 보인다. 입자의 분포와 엔트로피 계산을 비교한 결과, 쿼크와 글루온이 최대한 얽혀 있는 상태라는 것을 확인할 수 있었다.

이 발견은 쿼크와 글루온이 양성자 내에서 어떻게 결합을 유지하는지에 대한 중요한 통찰을 제공한다. 또한, 양자 얽힘이 원자핵 내에서 양성자들이 어떻게 상호작용하는지에 대한 새로운 질문을 제기한다.

연구자들은 향후 전자-이온 충돌기(EIC)와 같은 최신 기술을 활용해 원자핵 내에서의 얽힘을 연구할 계획이다. 이 기술은 약 10년 후에 가능할 예정이다.

연구 결과는 Reports on Progress in Physics 저널에 2024년 12월 2일 발표되었다.