중력 곡률의 직접적인 측정

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-09

지구 중력의 힘은 고도가 증가하면서 점점 작아진다. 연구자들은 실험실에서 극도로 민감한 저온 원자들을 이용하여 수직으로 수 피트 상에서 이런 차이를 검출해 낼 수 있다. 이제 이탈리아와 네덜란드 공동 연구진은 무거운 물체에서 이런 중력 기울기의 변화를 측정하여 한 단계 더 진보된 연구를 수행하였다. 이들은 그들이 개발한 기술로 중력에 기반하여 지질학에서 바위 밀도 변이를 측정할 수 있게 하였다. 이런 측정은 일반 상대성 이론을 정밀하게 테스트할 수 있을 뿐만 아니라 중력 상수도 측정할 수 있게 해 줄 것이다. 원자 간섭계 기술은 극도로 정밀하게 먼거리 측정을 가능하게 해준다. 이 기술은 원자의 양자 역학적 파동 특성을 이용하며 이전에 중력장의 세기를 측정하고 먼거리 상에서 중력장의 변화율을 측정하기 위해서 이용되었다. 그와 같은 측정은 뉴턴의 중력 상수 G를 결정할 수 있게 해준다. 그러나 그것은 다른 기본 상수보다 훨씬 더 작기 때문에 더 정밀한 측정으로 일반 상대성 이론을 더 높은 정밀도로 테스트하는 것이 필요할 것이다. 중력을 두 근접한 위치에서 측정함으로써 중력 기울기를 얻을 수 있다. 중력을 세 위치에서 측정하는 것은 기울기 변화율에 대한 정보를 제공하여 주며 중력장 곡률이라고 불린다. 이런 실험은 2002년에 제안되었으며 이제 이탈리아 연구진은 이에 대한 실험을 수행하였다. 수행은 이탈리아 플로렌스 대학의 Guglielmo Tino 박사가 주도하였으며 국립 핵물리학 연구소가 공동으로 실험을 수행하였다. 이들 연구진은 비슷한 실험으로 두 개의 다른 높이에서 중력을 측정함으로써 G를 결정하였다. 세 개의 다른 위치에서 동시에 중력을 측정하기 위해서, 이들 연구진은 극저온 원자들로 이루어진 세 개의 구름을 세 개의 다른 높이로 발사하였다. 이 원자 구름들은 1미터 높이의 수직 파이프 안에 놓여졌다. 파이프의 상단 주위에는 516킬로그램의 텅스텐 합금 무게로 둘러싸여 있으며, 그 결과 중력장의 변이가 증가한다. 이런 궤적의 상단 꼭대기 근처에서, 원자들은 파이프의 위에서 아래로 급속한 레이저 펄스로 조사되었다. 이들 연구진의 기술에서, 첫 번째 펄스는 각각의 원자 구름을 두 개의 분포로 분리시킨다. 첫 번째는 두 개의 포톤을 흡수하여 그것을 여기된 상태로 보내고 또한 운동량 향상을 제공한다. 두 번째 분포는 기저 상태에 남아 있게 된다. 추가적인 운동량은 첫 번째 분포가 고정된 시간 동안에 다른 거리로 떨어지게 하며, 이것은 기저 상태 분포와 비교하여 양자 파동 사이클의 개수에서 중력 의존 차이를 야기시킨다. 2개의 추가적인 파동 펄스는 이런 분포들을 재결합시켜 그것들이 간섭할 수 있게 허용한다. 간섭 효과로부터 연구진은 두 분포 궤적의 길이 차이를 계산할 수 있었다. 이런 거리는 중력 가속도에 의존한다. 연구진은 중력 가속도의 미세한 차이를 측정할 수 있었으며 평균 곡률을 계산할 수 있었다. 그 결과 실험치가 그들의 계산값과 거의 일치한다는 것을 발견하였다. 중력장의 곡률을 측정하는 것은 G 측정 정밀도를 향상시키는데 도움이 된다고 연구진은 말하였다. 보통 방법은 무거운 질량이 두 개의 검출기 사이를 움직일 때 중력장 세기와 기울기를 측정하는 것을 포함한다. 다른 위치에서 동시에 두 개의 분리된 중력장 기울기를 측정함으로써, 이 새로운 기술은 장비의 이동으로부터 오류를 발생시킬 수 있는 질량의 움직임을 필요없게 만듦으로써 시스템 오류를 제거시킬 수 있다는 장점이 있다. 곡률은 또한 지구에서 중력 변화 지도를 그리는데 유용하다. 이런 중력 지도는 광물 구조 탐사와 오일 탐사에 유용하다. 밀도가 약간만 변하여도 곡률은 밀도 변화가 크면 놀랍게 크게 변할 수 있다. 따라서 중력 곡률 측정은 그와 같은 밀도 지도의 공간적 분해를 향상시킬 수 있다. 중력장을 측정하는 것은 지하의 모든 것들에 대해서 민감하다고 버클리 대학의 Holger Muller는 말하였다. 그는 원자 간섭계를 이용하여 기본적인 물리학 조사를 위해 극도로 정밀한 측정을 하고 있다. 중력 기울기를 측정하는 것은 주위의 물체에 대한 민감도를 향상시키고 곡률을 측정하는 것은 훨씬 더 민감도를 향상시킨다고 그는 덧붙였다. 실질적인 곡률 측정 디바이스는 이 분야의 연구에 큰 기여를 할 것이라고 그는 말하였다. 이들의 연구 결과는 Physical Review Letters 저널에 발표되었다. 첨부그림: 중력장 곡률을 측정하는 것은 석유 산업계에 유용할 수 있다. 중력장을 민감하게 측정함으로써 지하에 묻힌 석유 탐사가 가능하기 때문이다. e8c465d8-0f17-4a1c-a1ee-d5c4083c1145.png http://physics.aps.org/articles/v8/1