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(번역) ‘파라입자’: 양자 입자의 세 번째 왕국 | 퀀타 매거진

새로운 연구에 따르면 ‘파라입자(paraparticles)’라는 제3의 양자 입자가 특수한 물질에서 나타날 가능성이 제시되었다.

도입

팬데믹으로 조용하던 2021년의 어느 날 오후, 당시 라이스 대학 대학원생이었던 왕즈위안(Zhiyuan Wang)은 지루함을 덜기 위해 특이한 수학 문제에 몰두하고 있었다. 그는 독특한 해답을 찾은 후 이 수학이 물리적으로 해석될 수 있는지 궁금해졌다. 결국 그는 자신이 찾아낸 해답이 새로운 유형의 입자를 설명하는 듯 보인다는 사실을 깨달았다. 이 입자는 물질 입자나 힘을 전달하는 입자와도 달랐다. 완전히 새로운 것이었다.

왕은 우연한 발견을 이 제3의 입자에 대한 본격적인 이론으로 발전시키길 원했고, 지도교수인 케이든 해저드(Kaden Hazzard)에게 아이디어를 가져갔다.

해저드는 당시를 회상하며 말했다. "처음에는 이게 정말 가능할지 믿기 어려웠다. 하지만 정말 확신한다면 다른 작업을 모두 제쳐놓고 여기에 전념하라고 말했다."

2024년 1월, 현재 독일 막스 플랑크 양자광학연구소의 박사후 연구원인 왕과 해저드는 이 아이디어를 다듬어 학술지 _네이처(Nature)_에 발표했다. 이들은 제3의 입자인 파라입자가 실제로 존재할 수 있으며, 이 입자들이 기이한 신물질을 만들어낼 수 있다고 주장한다.

이 논문이 발표되었을 때, 빈 양자광학 및 양자정보 연구소의 물리학자 마르쿠스 뮐러(Markus Müller) 역시 다른 이유로 파라입자 개념을 연구하고 있었다. 양자역학에 따르면 어떤 대상이나 관측자는 동시에 여러 장소에 존재할 수 있다. 뮐러는 이런 공존하는 ‘현실의 가지(branch)’ 사이에서 관측자의 관점을 전환할 때의 이론적 문제를 고민했다. 그는 이런 관점 전환이 파라입자의 가능성에 새로운 제약을 부과한다는 점을 발견했고, 그의 연구팀은 그 결과를 2월에 논문으로 발표했다. 현재 해당 논문은 심사를 받고 있다.

두 논문의 발표 시점이 겹친 것은 우연이었지만, 두 연구를 종합하면 수십 년 전 해결된 것으로 여겨졌던 물리학적 미스터리를 다시 열어젖힌다. 즉, "우리 세계가 허용하는 입자의 종류는 무엇인가?"라는 근본적인 질문이 재검토되고 있는 것이다.

숨겨진 세계

모든 알려진 기본 입자는 두 가지 범주 중 하나에 속하며, 둘은 거의 정반대의 성질을 가진다. 물질을 구성하는 입자는 페르미온(fermions), 기본 힘을 전달하는 입자는 보손(bosons)이다.

페르미온의 핵심적 특징은 두 입자의 위치를 서로 바꿀 때 양자 상태에 마이너스 부호가 붙는다는 것이다. 이 작아 보이는 부호 변화는 큰 영향을 끼친다. 덕분에 두 페르미온이 같은 위치를 차지할 수 없으며, 물질은 무한정 압축될 수 없다. 이 특성 때문에 물질이 붕괴하지 않고, 원자의 전자들이 껍질 구조를 이루며 존재한다. 이 마이너스 부호가 없다면 우리는 존재할 수 없다.

반대로 보손은 이러한 제한이 없다. 다수의 보손은 기꺼이 같은 상태를 공유할 수 있다. 예컨대 빛 입자인 광자는 얼마든지 동일한 상태에 모여 레이저를 만들 수 있다. 보손은 두 입자의 위치를 바꿔도 양자 상태가 그대로 유지된다.

그러나 페르미온과 보손만 존재해야 할 이유는 자명하지 않다.

이것은 양자이론의 근본적 특성과 관련이 있다. 입자의 특정 상태를 측정할 확률을 계산할 때, 그 상태의 수학적 표현을 제곱한다. 이 과정에서 마이너스 부호와 같은 차이가 사라진다. 숫자 4를 주면, "2의 제곱인가?" 아니면 "-2의 제곱인가?"를 구별할 수 없는 것과 같은 이치다.

페르미온은 교환 시 얻은 마이너스 부호가 측정 과정에서 사라져 서로 구별할 수 없게 된다. 하지만 이 마이너스 부호가 유일한 숨겨진 요소는 아니다. 양자 입자들은 직접 측정되지 않는 숨겨진 내부 상태를 가질 수 있다. 이 숨겨진 상태가 복잡한 방식으로 변하면서 생기는 제3의 입자가 바로 ‘파라입자’다.

1950년대 허버트 그린(Herbert Green)은 파라입자 모델을 시도했으나, 자세한 분석 결과 보손과 페르미온의 수학적 조합에 불과하다는 점이 밝혀졌다. 이후 1970년대, 도플리허(Doplicher), 하그(Haag), 로버츠(Roberts)의 DHR 이론에 따라 3차원 이상의 공간에서 오직 보손과 페르미온만 가능하다는 결론이 났다.

그러나 최근 왕과 해저드는 이 이론의 전제가 과도하게 제한적이었다는 것을 발견했고, 파라입자가 이론적으로 가능함을 입증했다. 파라입자는 숨겨진 내부 특성을 공유하며, 입자들이 교환될 때마다 이러한 특성들이 복잡하게 변화한다.

한편, 뮐러는 관측자의 관점에서 더 엄격한 조건을 부여하면 오히려 파라입자가 불가능하다는 점을 밝혔다. 왕과 해저드의 모델은 바로 이 조건을 의도적으로 배제함으로써 파라입자가 가능하도록 했다.

이로 인해 파라입자는 보손과 페르미온의 중간적 성질을 지닌 새로운 물질 상태의 가능성을 열게 된다.

현실을 향한 길

파라입자가 실제로 존재한다면, 특정 양자 물질에서 에너지를 가진 진동 형태로 나타나는, 준입자(quasiparticles)로서 출현할 가능성이 높다.

예일대학교의 물리학자인 멍청(Meng Cheng)은 연구에 직접 참여하지 않았지만 이렇게 말했다. “이전에는 이해하기 어려웠던 특이한 상(相)의 새로운 모델들을 얻을 수 있을지도 모른다. 파라입자를 이용하면 그러한 문제들을 훨씬 쉽게 풀 수 있게 될 것이다.”

펜실베이니아 주립대의 실험 물리학자 브라이스 개드웨이(Bryce Gadway)는 때때로 해저드와 공동 연구를 수행하며, 앞으로 몇 년 내에 실험실에서 파라입자를 실현할 수 있을 것으로 낙관하고 있다. 이 실험은 전자가 원자핵으로부터 멀리 떨어져 넓은 영역을 떠돌아다니는, 에너지가 높은 상태의 원자인 리드베르크 원자(Rydberg atom)를 사용할 것이다. 양전하와 음전하가 이렇게 분리된 상태는 리드베르크 원자가 전기장에 특히 민감하게 반응하도록 만든다. 상호작용하는 리드베르크 원자들을 이용해 양자 컴퓨터를 제작할 수도 있다. 또한, 이들은 파라입자를 구현하는 데 최적의 후보이다.

개드웨이는 파라입자를 생성하는 과정에 관해 이렇게 설명했다. "특정 유형의 리드베르크 양자 시뮬레이터에서는, 파라입자가 자연스럽게 생성될 것이다. 그저 준비하고 진화하는 과정을 지켜보면 된다."

하지만 지금 당장, 이 제3의 입자 왕국은 완전히 이론적인 영역에 머물러 있다.

애니온(anyon)의 발견자이자 노벨상을 받은 물리학자인 프랭크 윌첵(Wilczek)은 이렇게 평가한다. “파라입자는 향후 중요한 역할을 하게 될 수도 있다. 하지만 현재로서는 본질적으로 이론적인 호기심의 대상일 뿐이다.”