영국 옥스퍼드대학교(University of Oxford)와 포르투갈 리스본대학교의 공동 연구진은 세계 최초로 양자 진공(quantum vacuum) 상태에서의 ‘광자-광자 산란(photon-photon scattering)’을 3차원 실시간 시뮬레이션으로 재현해냈다고 발표했다.

연구 결과는 네이처 자매지Communications Physics에 게재됐다.

이번 연구는 ‘진공 사중파 혼합(vacuum four-wave mixing)’으로 불리는 양자 현상을 모델링한 것이다. 이 이론은 세 개의 초강력 레이저 펄스가 진공 상태를 이루는 전자-양전자 가상쌍을 편광시켜, 네 번째 광자가 생성되는 ‘어둠 속에서의 빛’ 현상을 예측한다. 광자들이 서로 충돌하며 새로운 광선이 생성되는 이 현상은, 초고강도에서 새로운 물리학을 탐구할 수 있는 중요한 단서를 제공한다.

이번 시뮬레이션은 고급 시뮬레이션 소프트웨어 OSIRIS 확장 버전을 사용해 구현됐다. OSIRIS는 고강도 레이저와 물질, 플라즈마의 상호작용을 정밀하게 모델링할 수 있는 도구로, 이번에는 최초로 진공 내 양자 상호작용을 3차원, 시간 분해 형식으로 구현해냈다.

옥스퍼드대 물리학과 박사과정 연구원이며 논문의 제1저자 릴리 장(Zixin Zhang)은 “이번 연구를 통해 이전에는 도달할 수 없었던 양자 진공 상호작용의 전 과정을 시간대별로, 입체적으로 관찰할 수 있게 됐다”며 “향후 더 복잡한 레이저 구조나 ‘플라잉 포커스 펄스’ 등 실험적 시나리오로 확장할 수 있는 기반이 마련됐다”고 밝혔다.

이 시뮬레이션은 실험 설계에도 큰 기여를 할 것으로 보인다. 현실적인 레이저 형상과 펄스 타이밍을 반영함으로써 실험가들이 실제 조건에서 정밀한 테스트를 설계할 수 있도록 돕는다. 또한, 광선의 미세한 비대칭성이 실험 결과에 어떤 영향을 미치는지도 밝혀내 새로운 실험 지침을 제공한다.

연구팀은 이 도구가 향후 고에너지 레이저 실험뿐만 아니라, 암흑물질 후보로 거론되는 ‘액시온(axion)’이나 ‘밀리전하 입자(millicharged particle)’ 등 가설 입자 탐색에도 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.