‘상대성 이론’ 무너지나?
빛보다 빠른 중성미자 운동 관측 … 그 결과 주목
뜻밖의 실험 결과가 나왔다. 이 실험 결과는 OPERA(Oscillation Project with EmulsiontRacking Apparatus) 실험을 수행했던 이탈리아의 Gran Sasso 국립실험실(LNGS)에서 실제 발생한 일이다.
OPERA 실험 팀이 빛보다 빠른 중성미자(뉴트리노)의 운동을 관측했다. 빛은 우주에서 가장 빠른 존재이며 20세기 가장 우수한 과학자 아인슈타인이 상대성 이론을 세운 토대가 된다. 기존에도 빛보다 빠른 물체를 발견했다는 이야기는 가끔 나왔지만 아직 입증된 바는 없다. 그래서 이번 결과도 매우 조심스러울 수밖에 없다.
국립실험실이 다른 과학자들의 의견을 수용한다는 자세를 취하겠다는 것도 이 때문이다. 후속 관측과 분석 작업을 현재 다시 진행 중이라는 말로 조심스러운 입장을 대신한 것. 만약, 그 결과가 실제로 검증된다면 물리학의 법칙은 완전히 뒤집힌다. 그만큼 충격적이다.
OPERA 실험팀의 실험 목적은 중성미자의 운동 현상(neutrino oscillations)을 관측하는 것이었다. 이를 검증하기 위해 유럽입자물리연구소(CERN)는 LNGS와 공동으로 중성미자의 운동을 연구했다. 중성미자의 운동은 과학자들이 물질의 구성과 작용되는 힘을 이해하는 데 도움을 주는 입자 물리학으로, 물리학의 본질도 밝혀준다.
설명에 따르면, 스위스 제네바에 위치한 CERN 연구소는 700km 떨어진 이탈리아의 Gran Sasso 실험실까지 땅 속으로 뮤온중성미자 빔을 쏜 뒤 OPERA 탐지기까지 내보냈다. OPERA 탐지기의 임무는 3ms 운동(지하에서 11km, 지구의 지표에서 730km, 제네바에서 Gran Sasso까지) 중 뮤온 중성미자의 이동에서 타우 중성미자를 확인하는 것.
연구자들은 중성미자의 반응을 확인하기 위해 연판 틈새에 사진 유제 필름을 끼운 3328개의 브릭으로 벽을 만들었다. 모든 브릭은 57개의 감광유제 필름과 연판으로 구성됐다. 이 엄청난 탐지기의 전체 무게는 1800톤. 이 탐지기는 서로 다른 물질의 덩어리이므로 연구팀은 상이한 구성요소를 조립할 때 신중을 기했다. 얇은 사진 필름과 연판이 약간만 어긋나도 탐지기는 중성미자 상호작용의 궤적을 추적할 수 없기 때문이다. 정확한 결과를 얻기 위해 브릭과 벽의 비틀림 오차는 0.05mm(50μ) 이내로 만들어야만 했다.
로봇과 머신 비전을 사용한 자동화
브릭 어셈블리 머신은 인간형 로봇을 통해 브릭을 형성할 필름과 연판을 쌓는데 활용되었다. 설명에 의하면 필름과 연판을 쌓는데 처음에는 어떠한 머신 비전도 사용하지 않았기 때문에 오차범위를 50μ 이내로 정확하게 정렬시키지 못했다.
이에 NI 얼라이언스 파트너인 ImagingLab이 필요한 정확도를 달성하는 임무를 맡는 구원투수로 나섰다. ImagingLab은 각 필름의 잔류 위치 오류를 기록하는 것뿐만 아니라 조립하는 동안 로봇에 수정 피드백을 제공할 수 있는 머신 비전 시스템에 브릭 어셈블리 라인을 새로 장착하도록 했다. 이 이미징 시스템은 작은 크기에 50μ를 초과하는 분해능으로 기계적 안정성도 뛰어나야 한다. 사진 필름을 사용했기 때문에 ImagingLab은 필름을 망칠 수 있는 일반적인 조명 대신 유화 연판 외부에 근적외선 조명을 사용키로 결정했다.
이 시스템은 NI CVS-1454 장치 5대와 10대의 FireWire CCD 카메라를 활용했으며, 이 소프트웨어 개발은 NI LabVIEW 소프트웨어와 IMAQ 라이브러리를 기반으로 했다. 초기 테스트에서는 자동화 검사를 위해 NI Vision Assistant와 NI Vision Builder를 사용했다. 이 자동화 시스템은 OPERA 탐지기 조립 시 배포됐고 오차범위 목표인 50μ 이내로 정확히 정렬시키는데 성공했다.
빛의 속도보다 빠르다?
OPERA를 향해 발사된 중성미자의 파동(펄스)을 생성하기 위해 연구팀은 양성자 펄스를 활용했다. 또한, NI의 고속 디지타이저를 통해 중성미자가 발사된 정확한 시간을 측정했다. 연구팀이 CERN에서 LNGS로 중성미자가 이동하는 데 걸린 시간을 측정한 결과, 동일한 거리를 빛이 이동하는 데 걸린 시간보다 60ns 더 짧았다. 60ns가 길지 않게 들릴 수도 있겠지만 과학자들이 여러 번 이 실험을 수행했을 만큼 통계적으로는 의미가 있다.
이후 실험에서 계속 비슷한 결과가 나왔고, 이제는 외부적인 부정확성을 찾아내는 데 집중하고 있다. 그렇다면 아인슈타인의 상대성 이론이 위태로운 걸까? 중성미자 운동을 연구하려는 OPERA 실험 팀은 뜻하지 않게 물리학의 근본 법칙을 깬 것처럼 보이는데, 앞으로 추가 검증을 통해 이 새로운 발견은 명백하게 검증될 것으로 판단된다.
자료제공 |한국내쇼날인스트루먼트 ni.com/korea
