아인슈타인 상대성 이론을 뒤집는 실험 결과?

한국내쇼날 인스트루먼트

뜻밖의 실험 결과가 나왔다. 이 실험 결과는 OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) 실험을 수행했던 이탈리아 Gran Sasso 국립실험실(LNGS)에서 실제 발생한 일이다. OPERA 실험 팀은 빛보다 빠른 중성미자(뉴트리노)의 운동을 관측했다. 빛은 우주에서 가장 빠른 존재이며 아인슈타인의 상대성 이론의 근간이 되는 개념이다. 매우 조심스러운 관측 결과를 공개하면서 다른 과학자들의 의견을 수용한다는 자세로 후속 관측과 분석 작업이 다시 진행 중이다. 만약, 그 결과가 실제로 검증된다면 물리학의 법칙을 완전히 뒤집을 것이다.
OPERA 실험팀의 목적은 중성미자의 운동 현상(neutrino oscillations)을 관측하는 것이었다. 이를 검증하기 위해서, 유럽입자물리연구소(CERN)는 LNGS와 공동으로 중성미자의 운동을 연구했다. 중성미자의 운동은 과학자들이 물질의 구성과 작용되는 힘을 이해하는 데 도움을 주는 입자 물리학으로 근원적 물리학의 본질도 밝혀준다. 스위스 제네바에 위치한 CERN 연구소는 700km 떨어진 이탈리아 Gran Sasso 실험실까지 땅 속으로 고강도 고 에너지의 뮤온중성미자 빔을 OPERA 탐지기를 향해서 내보냈다. OPERA 탐지기의 임무는 3ms 운동(지하에서 11km, 지구의 지표에서 730km, 제네바에서 Gran Sasso까지) 중에 뮤온 중성미자의 이동에서 타우 중성미자를 확인하는 것이다. 중성미자의 반응을 확인하기 위해서 연판 틈새에 사진 유제 필름을 끼어 넣은 브릭을 조립하여 3,328개 브릭을 사용한 벽을 만들었다. 모든 브릭은 57개의 감광유제 필름과 연판으로 구성된다. 이 엄청난 탐지기의 전체 무게는 1,800톤 가까이 된다. 이 탐지기는 서로 다른 물질의 덩어리이므로 연구팀은 상이한 구성요소를 조립할 때 매우 신중해야 한다. 얇은 사진 필름과 연판이 약간만 어긋나도 탐지기는 중성미자 상호작용의 궤적을 추적할 수 없다. 정확한 결과를 얻기 위해, 브릭과 벽의 비틀림 오차는 0.05mm(50 μ) 이내여야 한다.

로봇과 머신 비전을 사용한 자동화
브릭 어셈블리 머신은 인간형 로봇을 사용하여 브릭을 형성할 필름과 연판을 쌓았다. 이 초기 설치 시에는 어떠한 머신 비전도 사용하지 않았기 때문에 오차범위 50μ 이내로 정확하게 정렬시키지 못했다. 이에, NI 얼라이언스 파트너인 ImagingLab은 필요한 정확도를 달성하는 임무를 맡게 되었다. ImagingLab은 각 필름의 잔류 위치 오류를 기록하는 것뿐만 아니라 조립 동안 로봇에 수정 피드백을 제공할 수 있는 머신 비전 시스템에 브릭 어셈블리 라인을 새로 장착하도록 했다. 이 이미징 시스템은 크기가 소형이고 50μ를 초과하는 분해능으로 기계적 안정성도 뛰어나야 한다. 사진 필름을 사용했기 때문에 ImagingLab은 필름을 망칠 수 있는 일반적인 조명 대신에 유화 연판 외부에 근적외선 조명을 사용하기로 결정했다.
이 시스템은 NI CVS-1454 장치 5대와 10대의 FireWire CCD 카메라를 사용하며, 이 소프트웨어 개발은 NI LabVIEW 소프트웨어와 IMAQ 라이브러리를 기반으로 한다. 초기 테스트에서는 자동화 검사를 위해 NI Vision Assistant와 NI Vision Builder를 사용했다. 이 자동화 시스템은 OPERA 탐지기 조립 시에 배포되었고 오차범위 50μ 이내로 정확히 정렬시키는 목표를 성공적으로 충족했다.

빛의 속도보다 빠르다?
OPERA를 향해 발사된 중성미자의 파동(펄스)을 생성하기 위해서 연구팀은 양성자 펄스를 사용했다. 또한, NI의 고속 디지타이저를 사용하여 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 있지만 과학자들이 여러 번 이 실험을 수행하도록 유도했을 만큼 통계적으로 의미가 있는 수치이다.
 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 발견을 명백하게 검증할 것이다.
OPERA 실험에 대한 자세한 내용은 ni.com/info에서 opera에서 검색이 가능하다.