아인슈타인의 등가 원리(equivalence principle)는 중력에서 자유 낙하하는 개체는 물리적으로 중력이 없는 상태에서 같은 양의 힘으로 가속하는 개체와 대등하다는 것이다. 이 원리는 일반 상대성 이론의 중심에 자리잡고 있으며, 실험적으로 여러 번 시험되었다. 현재 새로운 연구에서 과학자들은 스핀 중력 결합(spin-gravity coupling)이라는 비교적 새로운 개념의 효과를 감지할 수 있는 등가 원리를 새로운 방법으로 실험적으로 시연하는데 성공했다. M.G.Tarallo와 그의 동료가 시행한 이 연구는 Physical Review Letters에 발표되었다. “등가 원리, 또는 관성 질량과 중력 질량의 등가를 시험하는 것은 일반 상대성의 기본 원리 중 하나의 유효성을 시험하는 것을 의미한다. 우리의 실험에서, 연구진은 중력 상호 작용을 관찰하기 위하여 양자 센서를 사용하였으며, 이는 우리로 하여금 새로운 효과에 대한 검색을 가능케 했다”고 이 논문의 공동 저자이자, 플로렌스 대학의 교수인 Guglielmo Tino가 말했다. 

연구진이 설명한 대로, 등가 원리를 시험하는 방법에는 여러 가지가 있다. 이러한 방법에는 달이나 행성의 움직임을 연구하거나, 비틀림 저울을 사용하는 방법 등이 포함되어 있으며, 좀 더 최근에는 원자 간섭법을 활용하기도 한다. 새로운 연구에서 연구진은 페르미온 입자와 보손 입자 간의 중력 상호 작용을 비교함으로써, 이러한 등가 원리를 최초로 시험했다. 이 실험의 목적에서, 두 입자 간의 중요한 차이점은 보손 입자(스트론튬-88 동위원소)는 스핀을 가지고 있지 않지만, 페르미온 입자(스트론튬-87 동위원소)는 반정수 스핀(half-integer spin)을 가지고 있다는 것이다. 입자의 중력 상호 작용에 영향을 미칠지 모르는 스핀의 차이점을 결정하기 위하여, 연구진은 중력으로 말미암은 각 동위 원소의 가속도를 측정하는 시험을 수행하였다. 이러한 실험을 위해 연구진은 수직 레이저 정상파에서 원자파 패킷을 제한하고, 중력 효과를 측정하기 위하여 비편재화(delocalization)를 포함한 양자 효과를 사용하기로 하였다. 이 새로운 도구는 이전의 도구보다 배 이상의 측정 정밀도를 향상시킨다. 

이 실험의 결과는 연구진으로 하여금 보손 대 페르미온 중력 상수 비율에서, 10-7의 상한을 설정하게끔 하였다. 연구진은 또한 스핀 방향에서 스트론튬-87 동위 원소의 중력 가속도 의존도를 검색했지만, 그에 대한 증거를 찾을 수 없었다. “스핀과 중력이 결합해야 함을 예측하는 이론적 모델이 있다. 즉, 그것의 스핀에 의존하여, 입자는 그것의 중력장에서 다른 방식으로 행동해야 한다는 것이다. 우리는 이것에 관한 증거를 찾지 못했다. 스핀을 가진 원자와 그렇지 않은 원자를 서로 비교하기 때문에, 이는 다소 엄격한 시험이다. 또한, 우리의 실험에서 한 원자는 보손이고, 다른 것은 페르미온이다. 다시 말해서, 우리는 중력장에서의 그들의 행동에 아무런 차이도 발견하지 못했다”고 Tino가 말했다. 

이 결과는 스트론튬으로 만든 광학 시계와 관련한 미래의 응용에 사용할 수 있으며, 이는 이미 인상 깊은 안정성과 정확도를 입증하였다. 미래에, 이들의 연구 결과는 일반 상대성과 중력의 엄격한 시험을 수행하기 위하여, 스트론튬 광학 시계와 스트론튬 간섭계를 사용하여, 우주에서의 실험을 수행하는 것이 가능해질 것이다. “우리가 최근 발표한 원자를 이용한 중력 상수 측정과 함께, 이 연구 결과는 중력을 관찰하기 위한 초저온 원자와 원자 간섭계에 기반을 둔 양자 센서 개발에 큰 잠재력을 보여주었다. 우리는 원자 간섭계의 감도를 향상하기 위한 새로운 방식을 시도하고자 하며, 이는 좀 더 엄격한 시험과 이 새로운 효과의 검색을 위한 연구를 가능케 할 것”이라고 Tino가 말했다. 
 

* 자료 - KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』