중국과학기술대, 초냉각 루비듐 원자 광학격자로 슈윙거 입자-반입자 쌍생성 시뮬레이션

슈윙거 효과와 관측의 어려움

양자전기역학(QED)에 따르면, 극도로 강한 전기장은 에너지 일부를 전자-양전자 쌍으로 자발 전환할 수 있다. 이것이 슈윙거 효과이며, 이른바 '가짜 진공 붕괴(false vacuum decay)'의 전형적 사례로 분류된다. 겉보기에 안정해 보이는 진공이 더 낮은 에너지 상태로 전이하면서 쌍을 방출한다는 개념이다. 이 효과는 수십 년 전에 이론적으로 예측됐지만, 실험실에서 구현 가능한 전기장 세기로는 쌍생성 확률이 지수함수적으로 억제되어 직접 관측에는 이르지 못하고 있다.

초냉각 원자 사슬로 구현한 가짜 진공

연구팀은 레이저 빛으로 형성된 1차원 광학격자에 루비듐 원자를 배열해 실험 플랫폼을 구성했다. 짝수 번째 격자 위치에 원자 2개씩 올려놓고 홀수 번째 위치를 비워 두는 초기 배열이 '가짜 진공'에 해당한다. 이후 인접 위치 사이의 원자 이동을 허용하도록 조건을 변경하면, 원자의 터널링 과정이 입자-반입자 쌍생성과 1대1로 대응된다. 배경 전기장 역할을 하는 제어 매개변수는 독립적으로 조정할 수 있어, 슈윙거 효과의 핵심 변수를 체계적으로 탐색하는 것이 가능하다. 격자 내 원자 위치는 양자기체 현미경(quantum gas microscope)으로 실시간 촬영해 쌍생성 역학을 추적했다.

주요 실험 결과

연구팀은 시스템 내 가상 입자의 질량과 배경 전기장 강도를 변화시키며 쌍생성에 미치는 영향을 정량 분석했다. 입자 질량이 클수록, 또는 전기장이 여타 상호작용 대비 지나치게 우세해질수록 형성되는 쌍의 수가 줄어드는 패턴이 확인됐다. 쌍생성률을 '진공 지속 진폭(vacuum persistence amplitude)'의 제곱과 직접 연계해, 초기 진공 상태가 유지될 확률을 정량화하기도 했다. 특정 극한에서는 장수명 진동이 관측됐으며, 가상 입자의 질량을 0으로 설정했을 때 슈윙거 모형이 예측하는 집단 들뜸과 유사한 진동 패턴이 출현했다. 이는 원자계와 게이지 장이론 사이의 대응 관계가 실험적으로 의미 있는 수준에서 성립함을 시사한다.

한계와 후속 연구 방향

현재 실험은 1차원 사슬 구조에 국한되어 3차원 시공간에서의 슈윙거 효과와 직접적으로 등가하지는 않으며, 원자계-게이지 이론 매핑의 유효 범위에 대한 추가 검증이 필요하다. 연구팀은 이후 시뮬레이션된 입자들의 충돌과 산란 과정을 탐구하고, 실험을 2차원으로 확장해 '끈 끊김(string breaking)' 등 더 복잡한 현상에 접근하는 계획을 밝혔다. 직접 관측이 불가능했던 양자장론 현상을 통제 가능한 냉각 원자 플랫폼으로 연구하는 새로운 경로를 열었다는 점에서, 이번 연구는 냉각 원자 기반 양자 시뮬레이터의 응용 범위를 입자물리학 영역으로 넓힌 사례로 평가된다.