보제-아인쉬타인 응집물(Bose-Einstein condensate, BEC)이란 모든 원자들이 동일한 양자상태를 갖는 물질의 한 형태를 말하는데, 1998년 11월 2일에 발표된 논문(Fried et al., Phys. Rev. Lett. 81, 3811 (1998))에서 T. Greytak과 D. Kleppner가 이끄는 미국 메사추세츠 공대(MIT) 연구팀은 수소기체를 보제-아인쉬타인 응집물로 만드는데 성공했다고 한다. 이는 스핀이 정렬된 수소가 BEC를 위한 좋은 후보라는 1978년의 이론적 예측 이래 약 이십여 년에 걸친 집요한 연구 끝에 얻어진 결과이다. 1995년 처음 BEC가 만들어진 후 여러 알칼리족 금속 기체로 BEC가 만들어졌지만, 이번에 성공한 수소 BEC는 다른 어떤 경우보다 더 많은 원자들을 응집시켜 이론과 실험을 고도의 정밀도로 비교할 수 있는 길을 열었다.
처음에 이들은 수소 원자의 스핀정렬을 위해 강한 자기장이 있는 곳에 수소 기체를 보내서 자기장과 반평행 스핀을 가진 원자는 끌려가고 평행 스핀을 가진 원자는 밀려나오도록 했다. 하지만 이 방법으로는 용기의 벽과 충돌하는 수소원자들 때문에 100 mK 이하로는 냉각할 수 없어 BEC를 위한 극저온 달성이 불가능했다. 이들은 이 문제를 용기 가운데의 "함정(trap)"에만 자기장 세기가 약하게 하여 자기장과 방향이 동일한 스핀을 가진 원자들이 이곳에 모이게 한 후, 자기장의 세기를 서서히 감소시켜 점점 얕아지는 함정으로부터 열에너지가 큰 원자들은 빠져나가게 하는 "기화냉각(evaporative cooling)"이라는 방법으로 해결하여 온도를 100 ՌK까지 내리는 데 성공했다. BEC를 위해서는 더 낮은 온도가 필요하기 때문에, MIT 그룹은 다른 연구그룹들과 비슷하게 에너지가 높은 수소원자들의 스핀을 반전시킬 수 있는 radio-frequency의 자기장을 가하여, 스핀이 반전된 원자들은 바깥쪽의 강한 자기장 영역으로 끌려가도록 하는 마지막 단계를 거쳐서 50 ՌK의 온도를 달성할 수 있었고, 이 온도에서 BEC가 형성되었던 것이다. 보통상태의 기체보다 밀도가 더 높은 BEC 상태의 원자들은 보통상태의 원자들과는 에너지 준위도 다르고 형광스펙트럼의 피크도 약간 다른 곳에 나타난다. 이러한 피크의 이동으로부터 MIT 그룹은 수소 BEC가 약 10억개의 원자로 구성되어 있다는 것을 알았고, 이는 다른 그룹들이 이전에 알칼리 금속 기체를 이용하여 도달한 것보다 적어도 10배는 더 많은 원자를 포함하는 것이다.
물리학자들은 BEC라고 하는 희귀한 물질상태에 대해서 그 근본적 물리현상 탐구뿐만 아니라 이를 실제에 응용할 수 있는 방법에 대해서 여러 가지 생각을 하고 있다. 작년에 MIT의 다른 연구그룹에서는 원시적 형태의 "원자레이저(atom laser)"를 나트륨 BEC를 이용해서 만든 적이 있다. BEC를 최초로 만든 Boulder 소재 University of Colorado의 Carl Wieman은 "지금까지 우리가 관찰했던 BEC 시스템들 대부분이 서로 다른 특징들을 보여주기 때문에 새로운 BEC 시스템을 발견한다는 것은 항상 아주 흥미로운 일이다."라고 한다.
최고 해상도의 전자현미경
투과전자현미경(transmission electron microscope, TEM)은 전자빔을 집속하여 약 0.16 nm 떨어진 원자들도 하나씩 투사해 낼 수 있는 고해상도 현미경이다. 하지만 이러한 고해상도도 아직 양자역학적인 한계에는 도달하지 못한 것으로, 전자빔의 초점이 제대로 맞지 않는 등의 기술적인 문제에 의해 최고 해상도가 정해진다. 그런데, 1998년 11월 9일에 발표된 논문(P. D. Nellist and S. J. Pennycook, Phys. Rev. Lett. 81, 4156 (1998))에 의하면 주로 저해상도 영상을 얻는데 사용되어온 "incoherent TEM"을 제대로 사용하면 현재까지 TEM으로 얻을 수 있었던 최고 해상도의 두 배 가까운 해상도를 얻을 수 있다고 한다.
TEM은 시료를 투과한 전자빔을 자기장을 이용한 렌즈로 검출기에 초점을 맞춰 영상을 형성하는 기술인데, 원리가 빛 대신 전자를 사용한다는 점만 제외하면 광학현미경과 아주 비슷하다. TEM의 궁극적인 해상도는 두 종류의 "수차(aberration)"에 의해 정해진다. 우선, 구면수차(spherical aberration)는 깊이 산란된 전자들이 얕게 산란된 전자들 보다 렌즈에 더 가까운 곳에 초점이 맺히는 현상인데, 영국 University of Birmingham의 P. Nellist는 "그건 마치 포도주 병바닥을 광학현미경으로 사용하려는 것과 흡사하다"고 한다. 한편 색수차(chromatic aberration)는 빠른(파장이 짧은) 전자들이 느린 전자들과 다른 곳에 초점이 맺히는 현상으로, 이것은 완벽한 전자빔이 아니면 완전히 해결할 수 없는 문제이다.
고해상도 TEM 이미지는 보통 coherent TEM으로 얻어지는데, Nellist와 미국 Oak Ridge National Laboratory의 S. Pennycook은 보통 고해상도용으로는 사용하지 않는 incoherent TEM 기술의 극한까지 가보고자 했다. 구면수차는 보통 "underfocusing"이라는 방법으로 보정하는데, 아주 미세한 영상을 보기 위해서 의도적으로 거시적인 정보를 약간 잃는 것이다. 하지만 coherent TEM의 경우 색수차 때문에 이 방법을 사용한다고 해도 해상도가 아주 약간만 향상된다. 그런데 Nellist가 같은 방법을 incoherent TEM에 적용했을 때, 위에 언급한 것 같은 놀라운 해상도를 얻을 수 있었다고 한다. 그가 나중에 계산으로 증명해서 논문에 보고한 내용에 의하면 incoherent TEM에서는 구면수차 보정이 쉬울 뿐만 아니라 구면수차 보정 후에 색수차도 훨씬 줄어든다고 한다. 위상이 제멋대로인 incoherent 전자의 파동은 coherent TEM의 가장 심각한 문제를 서로 상쇄했던 것이다. Nellist와 Pennycook은 이 방법으로 CdTe 결정에서 0.093 nm 떨어진 카드뮴과 텔루리움 원자를 분리해 내었는데, 이는 지금까지 얻어진 TEM 영상 중에서 최고의 해상도이다.
미국 시애틀 소재 University of Washington의 O. Krivanek는 고해상도 전자현미경 연구의 99 %가 coherent 방법을 사용하고 있는데, 이미 해상도 한계에 거의 도달했기 때문에 이 논문이 incoherent TEM에 대한 지대한 관심을 불러일으킬 것이라고 한다.
양성자와 중성자의 차이
핵물리 학자들은 양성자와 중성자는 거의 같은 것이라고 생각한다. 저에너지의 입자빔을 핵에 쏘아 보내면 양성자와 중성자는 핵 안에서 거의 완전히 똑같이 행동하기 때문이다. 따라서 양성자와 중성자를 이용하여 고에너지 충돌 실험을 할 경우에도 양성자와 중성자가 동일한 전하대칭성(charge symmetry)을 보일 것이라고 생각해 왔다. 하지만 1998년 11월 9일에 발표된 논문(C. Boros, J. T. Londergan, and A. W. Thomas, Phys. Rev. Lett. 81, 4075 (1998))은 가장 최근의 실험 데이터를 분석하여, 알려진 모든 실험오차들을 보정하더라도 전하대칭성이 분명하게 깨어져 있다는 사실을 말해주고 있다.
초고에너지 충돌실험에서 양성자와 중성자는 이들 운동량의 상당부분을 가지고 있는 세 개의 "가(valence)" 쿼크와 상대적으로 적은 운동량을 가지는 가상(virtual) 쿼크의 바다(sea)로 이루어져 있다. 이런 충돌 실험에서 여러 가지 쿼크들이 핵자(nucleon) 속에 어떻게 분포되어 있는지 알기 위해서 실험 결과로 검출기에 기록된 데이터를 바탕으로 각각의 쿼크들이 어떤 값 x로 충돌된 것으로 표시하는데, 이것이 핵자의 운동량 중에서 그 쿼크가 가지고 있는 만큼에 해당한다. 충돌실험으로 전하대칭성을 검증할 수 있는 가장 직접적인 방법 중 하나는 같은 숫자의 양성자와 중성자를 가지고 있는 핵에 모든 쿼크와 상호작용을 하는 뮤온과, 음전하를 가진 쿼크들과만 상호작용을 하는 뉴트리노를 충돌하는 비교실험을 하는 것이다. 전하대칭성이 성립한다면, 같은 수의 양성자와 중성자를 가진 핵으로 실험할 경우 두 실험은 쿼크 분포에 대해서 아주 비슷한 결과를 보여주어야 한다.
최근 미국 Fermi National Accelerator Laboratory의 CCFR 연구팀은 뉴트리노를 철(Fe)의 핵에 충돌하는 실험을, 스위스의 CERN에 있는 NMC 연구팀은 뮤온을 중수소에 충돌시키는 실험을 했다. 이들 실험은 에너지 전달이 수백 GeV에 이르는 고에너지에서 이루어졌고, 실험 결과로 핵자가 가진 운동량을 쿼크가 어떻게 나누어 가지고 있는지 대한 정보를 제공하는 "구조함수 (structure functions)"를 구했다. 한편, Londergan과 동료들은 두 실험의 구조함수를 비교하기 위해 쿼크들이 뮤온이나 뉴트리노와 서로 다르게 상호작용하는 것에 대해 보정하였는데, 그 결과 x 값이 큰 경우에는 뉴트리노와 뮤온의 구조함수가 2 % 이내에서 비교적 잘 일치했지만 x 값이 0.1 보다 작은 경우에 두 실험의 결과 무려 10 % 까지 달라지는 것을 발견한 것이다. 가상쿼크 바다에 의한 이상한 쿼크의 효과를 생각하더라도 구조함수가 1 % 이상 달라야할 이유를 알 수가 없었다. 따라서 이들은 실험오차들의 범위가 정확하다면 "x가 작은 경우에 전하대칭성이 상당히 깨져있는 것 같다"고 한다. 만일 이 결과가 미래의 검증을 견딘다면 물리학자들은 핵 내부의 쿼크 구조에 대한 현재 모델을 재고해야 할 것이다.
CCFR 연구팀의 리더중 한사람인 미국 Columbia University의 Michael Shaevitz는 처음 실험 결과가 전하대칭성이 깨진 것으로 나왔을 때, 위에서 언급한 보정을 거치면 전하대칭성이 복원될 것이라고 생각했다고 한다. 그는 지금 전하 대칭성이 깨졌다고 단언할 수는 없다면서 "실험이나 쿼크 분포를 계산하는 과정에서 우리가 뭔가를 놓치고 있는 것 같다. 하지만 현재로는 그게 뭔지 모른다"고 하면서, 전하대칭성이 깨진 것 같은 정도가 아주 심하기 때문에, 다른 방법으로 전하대칭성이 깨졌는지 아닌지 검증해 보는 것이 가능하며 또 필요하다고 말했다. <
[편집위원 박용섭 (park@kriss.re.kr)]