빛이 자기 자신과 충돌하면 무슨 일이 일어날까요? 과학자들이 방금 알아냈습니다.

물리학자들은 빛이 가상 입자를 생성하여 자기 자신과 상호작용할 수 있다는 것을 발견했으며, 이는 표준 모형의 숨겨진 균열을 드러낼 가능성이 있습니다. 출처: TU Wien

일반적으로 빛은 저항 없이 서로 통과합니다. 전기역학 법칙에 따르면, 두 개의 빛줄기는 서로 영향을 미치지 않고 같은 장소에 존재할 수 있습니다. 단순히 겹쳐질 뿐입니다. 따라서 SF 영화에서처럼 광선검 전투는 현실에서는 다소 지루할 것입니다.

그럼에도 불구하고 양자물리학은 "빛에 의한 빛 산란" 효과를 예측합니다. 일반 레이저는 이를 감지할 만큼 강력하지 않지만, CERN 입자 가속기에서 관찰되었습니다. 가상 입자는 말 그대로 짧은 시간 동안 무(無)에서 출현하여 광자와 상호작용하고 방향을 바꿀 수 있습니다. 이 효과는 극히 미미하지만, 뮤온에 대한 현재의 고정밀 실험을 통해 입자물리학 이론을 검증하기 위해서는 이 효과를 정확하게 이해해야 합니다. TU Wien(비엔나)의 한 연구팀은 이전에는 과소평가되었던 측면, 즉 소위 텐서 중간자의 기여가 이 현상에 중요한 역할을 한다는 것을 보여주었습니다. 이 새로운 연구 결과는 Physical Review Letters 저널에 게재되었습니다.

무에서 유를 창조하는 가상 입자

광자가 서로 상호작용할 때 가상 입자가 생성될 수 있습니다. 가상 입자는 즉시 사라지기 때문에 직접 측정할 수 없습니다. 어떤 의미에서 가상 입자는 항상 존재하면서도 동시에 존재하지 않는 것입니다. 양자 물리학은 우리의 고전적인 일상적 이해에서는 상호 배타적인 상태의 중첩을 허용합니다.

"이러한 가상 입자는 직접 관찰할 수 없지만 다른 입자에는 측정 가능한 영향을 미칩니다."라고 이 연구의 주저자인 빈 공과대학교 이론물리학 연구소의 요나스 마거는 말합니다. "실제 입자의 거동을 정확하게 계산하려면 상상할 수 있는 모든 가상 입자를 정확하게 고려해야 합니다. 이것이 이 작업을 어렵게 만드는 동시에 흥미로운 이유입니다."

빛이 산란되면 광자는 예를 들어 전자-양전자 쌍으로 변환될 수 있습니다. 그러면 다른 광자들이 이 두 입자와 상호작용하여 전자와 양전자가 서로 소멸하고 새로운 광자가 될 수 있습니다. 쿼크와 반쿼크로 구성된 중간자처럼 강한 핵력의 영향을 받는 더 무거운 입자가 생성되면 상황은 더욱 복잡해집니다.

"이러한 중간자에는 여러 유형이 있습니다."라고 조나스 마거는 말합니다. "이제 우리는 그중 하나인 텐서 중간자가 상당히 과소평가되었음을 보여줄 수 있었습니다. 텐서 중간자는 빛-빛 산란 효과를 통해 뮤온의 자기적 특성에 영향을 미치며, 이는 입자 물리학의 표준 모형을 매우 정확하게 검증하는 데 사용될 수 있습니다." 텐서 중간자는 이전 계산에도 등장했지만, 매우 대략적으로 단순화된 형태였습니다. 새로운 평가에서 텐서 중간자의 기여도는 이전에 추정했던 것보다 훨씬 더 클 뿐만 아니라, 이전에 생각했던 것과 다른 부호를 가지므로 결과에 반대 방향으로 영향을 미칩니다.

특이한 이론적 방법

이 결과는 작년에 발생한 최신 해석적 계산과 다른 컴퓨터 시뮬레이션 간의 불일치를 해결합니다. "문제는 기존의 해석적 계산이 쿼크의 강한 상호작용을 극한 상황에서만 잘 설명할 수 있다는 것입니다."라고 빈 공과대학(TU Wien)의 안톤 레반(Anton Rebhan)은 말합니다.

반면 TU 빈 팀은 독특한 방법인 홀로그래픽 양자색역학을 사용했습니다. 이는 4차원(즉, 3차원의 공간과 1차원의 시간)의 과정을 중력이 있는 5차원 공간에 매핑하는 것을 포함합니다. 그러면 일부 문제는 이 다른 공간에서 더 쉽게 해결될 수 있으며, 그 결과는 다시 원래대로 변환됩니다. 안톤 레반은 "텐서 메손은 5차원 중력자로 매핑될 수 있는데, 아인슈타인의 중력 이론은 이에 대해 명확한 예측을 제시합니다."라고 설명합니다. "이제 컴퓨터 시뮬레이션과 분석 결과는 서로 잘 맞지만 이전의 특정 가정과는 다릅니다. 이를 통해 이미 계획된 텐서 메손 관련 특정 실험을 가속화하는 새로운 동력을 얻을 수 있기를 바랍니다."

테스트에 적용된 표준 모델

이러한 분석은 물리학의 가장 중요한 질문 중 하나인 입자 물리학의 표준 모형이 얼마나 신뢰할 수 있는가라는 질문에 중요합니다. 표준 모형은 중력을 제외한 모든 알려진 입자와 자연계의 모든 힘을 설명하는 일반적으로 받아들여지는 양자 물리 이론입니다.

표준 모형의 정확성은 몇 가지 특수한 시험 사례, 예를 들어 뮤온의 자기 모멘트 측정을 통해 특히 잘 조사될 수 있습니다. 과학자들은 오랫동안 이론과 실험 사이의 특정 불일치가 표준 모형을 넘어서는 "새로운 물리학"을 가리키는지, 아니면 단순한 부정확성이나 오류인지에 대해 고심해 왔습니다. 뮤온 자기 모멘트의 불일치는 최근 훨씬 줄어들었지만, 진정한 새로운 물리학을 탐구하기 위해서는 남아 있는 이론적 불확실성 또한 가능한 한 정확하게 이해해야 합니다. 바로 이것이 이번 연구가 기여하는 바입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250729044708.htm