새로운 기본입자 존재 가능성을 밝히다

현재까지 확인된 기본입자 외에 추가 입자 혹은 힘의 존재 가능성이 커졌다. 미 페르미 연구소는 국제 공동 연구 ‘뮤온 g-2’실험의 첫 결과를 4월 8일(한국 시각) 발표했다. 연구진은 뮤온이 현대물리학의 예측과 다르게 행동함을 신뢰도 4.2 시그마로 입증했다.

* 뮤온 : 전자의 무거운 형제 격으로, 고에너지 입자들이 충돌할 때 발생한다. 약 2 마이크로 초의 수명을 가진다.

* 시그마 : 일반적으로 어떤 실험의 신뢰도가 3 시그마(99.7%)면 ‘힌트’의 범주에 들어가고, 5 시그마(99.99994%) 이상이면 ‘발견’으로 인정된다.

기초과학연구원(IBS) 액시온 및 극한상호작용 연구단 야니스 세메르치디스 단장과 연구진 등 8명은 페르미 연구소를 비롯한 공동 연구진과 함께 뮤온 흔들림을 측정해 발표했다. 이는 수십 년 간 미제로 남아있던 이론과 실험의 불일치를 확인한 것으로, 새로운 물리학을 개척할 단서가 될 것으로 기대된다.

현대물리학의 정수인 표준모형은 아원자 세계를 가장 잘 설명하는 이론이다. 우주를 이루는 쿼크, 전자, 뮤온, 중성미자 등의 기본입자와 중력을 제외한 세 가지 힘, 그리고 이들 사이의 상호작용을 서술하고 있다.

* 아원자 : 중성자, 양성자, 전자처럼 원자보다 작은 입자를 가리킨다.

* 자연계에는 중력, 전자기력, 강력, 약력 총 4가지 힘이 존재하는 것으로 알려져 있다.

뮤온은 이러한 아원자 세계를 비추는 거울처럼 작용한다. 강력한 자기장 하에서는 뮤온의 자석 축이 팽이처럼 흔들리고, 이 흔들림은 g 값으로 표현된다. 뮤온은 진공에서 나타났다 사라지는 무수한 가상입자들과 상호작용하므로, g 값도 그 영향을 받는다. 과학자들은 표준모형을 이용해 이 g 값을 매우 정확하게 계산할 수 있다. 만약 진공에 우리가 모르는 입자나 힘이 있다면, g 값은 예측과 달라진다.

* 진공은 아무것도 없는 공간이 아닌, 나타났다 사라지는 무수한 가상 입자들로 채워져 있다. 이를 양자 진공 혹은 양자 거품이라고 한다.

이번 결과는 뮤온 g-2 실험을 첫 1년 간 운행한 데이터를 분석한 결과로, 뮤온 g 값을 2.00233184122로 새로 제시했다. 표준모형으로 계산한 이론값은 2.00233183620 이다.

이번 실험의 신뢰도인 4.2 시그마는 과학적 발견 기준인 5 시그마에는 못 미치지만, 여전히 강력한 증거이다. 이번 결과가 통계적 오차로부터 기인했을 확률은 4만 분의 1이다. 이는 선행 실험인 브룩헤이븐 연구소 실험(1997~2001)이 신뢰도 3.7 시그마로 제공한 힌트를 1년 만에 더 높은 신뢰도로 확인한 것이다. 현재 뮤온 g-2 실험의 2차와 3차 데이터를 분석 중이며, 4차 실험이 진행 중이다.

IBS 연구진은 이번 실험에서 뮤온 저장 고리 내 자기장을 균일하게 유지하고, 뮤온 궤도 진동 효과를 줄이는 데 기여했다. 실험의 의사 결정 기구인 기관 위원회(Institutional board)의 야니스 세메르치디스 단장은 “이번 결과는 뮤온이 표준모형에 없는 입자 혹은 힘과 민감하게 상호작용한다는 강력한 증거”라고 밝혔다. 또 “지금까지 분석한 데이터는 뮤온 g-2 실험이 궁극적으로 모을 데이터의 6%에 지나지 않는다”며 “첫 번째 실험 결과부터 표준모형과의 흥미로운 차이를 보여줬으며, 향후 몇 년 간 더 많은 것을 알게 될 것”이라고 말했다.

이번 결과는 한국 시각으로 4월 8일 0시에 발표 되었으며, 국제 학술지 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters, IF=8.385) 誌에 같은 날 게재되었다.

▲ 뮤온 g-2 실험의 핵심 장치인 뮤온 저장 고리

뮤온 저장 고리가 검출기와 뮤온 빔라인, 여타 장비들에 둘러싸여 있다. 저장 고리 내부는 섭씨 –267도로 유지되며, 고리 안의 자기장은 극도로 균일하게 유지된다. 뮤온은 뮤온 저장 고리 안에서 빛의 속도에 가깝게 저장된다.

▲ 페르미 연구소 뮤온 생성 과정

붉은 색 고리에서 생성된 양성자는 뮤온 g-2 타겟 스테이션으로 보내져 뮤온을 생산한다. 생성된 뮤온은 이후 주황색 선을 따라 뮤온 저장 고리가 위치한 MC1 동으로 보내진다. (Mu2e 동은 다른 실험을 위한 건물이다)

▲ 브룩헤이븐 국립연구소에서 페르미 연구소로 이동하는 뮤온 저장 고리

뮤온 g-2 실험의 핵심 장치인 뮤온 저장 고리는 선행 실험인 브룩헤이븐 연구소 실험(1997~2001)에서 사용한 것을 옮겨 왔다. 이 5천 km 거리의 대이동은 2013년에 이뤄졌으며, 코일 모양을 1/4인치 이내, 평탄도를 1/10인치 이내로 유지하며 이동에 한 달 가량 소요됐다.

출처: 기초과학연구원