ATLAS 실험, 힉스 붕괴 Z 보손 쌍에서 양자 얽힘 확인

실험 설계: 힉스 보손에서 Z 보손까지

이번 실험은 13조 전자볼트(TeV) 에너지로 광속의 99.99%로 운동하는 양성자들을 정면 충돌시키는 LHC 환경을 활용했다. 충돌 과정에서 생성된 힉스 보손—2012년 LHC에서 처음 발견된 입자—이 두 개의 Z 보손으로 분리된 뒤, 각 Z 보손이 다시 전자 또는 뮤온 쌍으로 붕괴하는 연쇄 과정이 분석 대상이었다. Z 보손 자체는 생성 직후 극히 짧은 시간 내에 사라지지만, ATLAS 검출기는 그 붕괴 산물인 전자와 뮤온의 궤적을 정밀하게 추적한다.

얽힘 신호를 추출하는 방법

연구팀은 붕괴 산물 입자들이 방출되는 각도 분포를 역산하여 원래 Z 보손의 스핀 상태를 재구성했다. 양자 얽힘이 존재할 경우 두 Z 보손의 스핀 상관관계는 고전 물리학으로 설명할 수 있는 한계치를 초과한다. 분석 결과는 이 한계를 분명히 넘어서는 강한 상관관계를 보여줬으며, 이를 얽힘의 증거로 해석했다.

에너지 규모의 의미

기존 얽힘 실험은 대부분 광자, 전자, 포획 이온 같은 가볍고 상대적으로 다루기 쉬운 계에서 수행됐다. 이번 Z 보손 쌍 실험은 그보다 훨씬 높은 에너지 영역에서, 질량이 크고 수명이 극히 짧은 입자에서도 얽힘이 유지됨을 보여준다. 2023년 같은 ATLAS 검출기를 이용해 알려진 기본 입자 중 가장 무거운 톱 쿼크 쌍 사이의 얽힘을 확인한 연구에 이은 성과다. 두 실험 모두 옥스퍼드대 앨런 바르(Alan Barr) 교수가 수년 전부터 제안해온 연구 방향과 일치한다.

양자정보 과학과의 교차점

이번 연구는 양자정보 과학의 분석 도구를 입자물리학에 접목하는 흐름을 가속할 것으로 보인다. 얽힘 측정 방법론을 충돌 데이터 분석에 적용하면 현행 표준 모형을 넘어서는 미묘한 물리적 효과를 감지하는 민감도를 높일 수 있다는 점에서다. 옥스퍼드대는 물리학부와 철학부가 공동으로 고에너지 영역의 양자역학 기초를 탐구하는 학제간 프로젝트를 운영하고 있으며, 이번 실험은 그 성과 중 하나다.

향후 전망

현재 ATLAS 검출기는 업그레이드 공사 중이며, 완공 후에는 고휘도 LHC(High-Luminosity LHC)와 결합하여 훨씬 대규모의 데이터를 수집할 예정이다. 데이터 양이 늘어나면 얽힘 측정의 통계적 정밀도가 높아져 표준 모형 이상의 물리 현상을 탐색하는 새로운 창이 열릴 것으로 연구팀은 기대하고 있다.