'표준모형' 예측치 벗어난 기본입자 '뮤온' 물리법칙 흔드나

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입력 2021-04-08 13:44  

'표준모형' 예측치 벗어난 기본입자 '뮤온' 물리법칙 흔드나

'표준모형' 예측치 벗어난 기본입자 '뮤온' 물리법칙 흔드나

새 입자·제5의 힘 존재 시사 페르미랩·CERN 연구 잇달아



(서울=연합뉴스) 엄남석 기자 = 우주를 구성하는 기본 입자 중 하나인 '뮤온'(muon)을 이용한 실험에서 기존 물리 법칙을 거부하는 결과가 잇따라 나와 '표준모형'(Standard Model) 체계를 흔들지 주목된다.

표준모형은 물질을 구성하는 기본 입자와 입자 간 상호작용을 설명하기 위해 공동 연구를 통해 개발된 것으로, 지난 50년간 우주를 구성하고 적용되는 입자와 힘을 설명하는 틀이 돼왔다.

AP통신과 BBC 뉴스 등 외신에 따르면 아원자 입자 뮤온을 연구해온 미국 에너지부 산하 '페르미 국립가속기 연구소'(Fermilab)는 7일 뮤온을 14m 자기 트랙에 넣고 자기장 속에서 움직임을 관찰하는 '뮤온 g-2' 실험에서 표준모형에서 예측된 것과는 다른 결과를 얻었다고 발표했다.

뮤온의 자기적 속성을 나타내는 g값은 표준모형에서는 2로 예측돼 있지만, 뮤온 g-2 실험에서는 실제 g값이 이 예측치에서 얼마나 벗어나는지를 측정했다.

1936년 우주선(線)을 연구하다가 발견된 뮤온은 전자를 닮았지만 질량은 전자의 200배에 달해 "뚱뚱한 전자"로도 알려져 있다.

연구팀은 2.2 μs(100만분의 2.2초)밖에 안 되는 뮤온의 평균 수명을 관찰할 수 있을 정도로 연장하기 위해 자기 트랙에 넣고 실험했으며, 이를 통해 뮤온의 자기 '스핀'(spin)이 표준모형이 예측한 것에서 0.1% 벗어나는 것을 확인했다.

이는 극히 미미한 것이지만 입자 물리학자들에게는 현재 이론을 뒤집기에 충분한 양으로 지적됐다. 웨인주립대학 입자물리학자 알렉세이 페트로프는 "감질나는 것이지만, 새로운 입자, 새 물리학이 우리 연구 너머로 있을 수 있다"고 했다.

미국을 포함해 7개국에서 약 170명의 전문가가 참여한 연구를 이끈 크리스 폴리 박사는 기자회견을 통해 "우리가 직접 발견되지만 않았을 뿐 늘 주변에 존재하는 입자의 바닷속에 있을 수 있다고 생각하고 있다"면서 "진공 상태에서 뮤온과 상호작용하며 모습을 드러내는 상상하지 못했던 괴물이 존재할 수 있으며, 이는 그것을 볼 있는 창을 제공하는 것"이라고 설명했다.

일리노이대학의 이론물리학자 아이다 엘-카드라는 이번 연구 결과는 과학적 발견으로 확인된다면 '신의 입자'로 알려진 힉스 발견 이후 지난 10년 사이 최대의 발견이 될 것이라고 했다.



이번 연구 결과는 지난달에 발표된 유럽입자물리학연구소(CERN)의 강입자충돌기(LHC) 실험 결과와도 맥을 같이 하는 것이다.

CERN 연구진은 입자 가속·충돌기로 쿼크 중 두 번째로 무거운 바닥쿼크(bottom quirk)를 충돌시키고 결과를 살폈다. 표준모형은 바닥쿼크가 충돌하면 같은 수의 전자와 뮤온이 생기는 것으로 예측했지만 여러 해에 걸쳐 수천번 이뤄진 충돌실험에서는 15%에서 뮤온보다 전자가 더 많은 결과가 나왔다.

페르미랩의 실험 결과가 통계적 오류일 가능성은 약 4만분의 1로, 과학적 발견으로 주장하고 인정받으려면 이를 350만분의 1로 끌어올려야 하는 것으로 전해졌다. CERN 실험 결과도 공식적인 발견 수준에는 이르지 못했다.

앞으로 1~2년간 추가적인 실험을 통해 통계적 오류 가능성을 낮추는 작업이 필요한 상태다.

존스 홉킨스대학 이론물리학자 데이비드 카플란 박사는 두 실험 결과가 과학적 발견으로 인정되면 입자물리학 세계어서 이뤄져 온 "모든 계산을" 뒤집게 될 것이라면서 "이는 오차가 아니라, 무언가 잘못됐다는 점을 나타내는 것"이라고 했다.

아직 발견되지 않은 새로운 입자가 있거나 중력과 전자기력, 강력, 약력 등에 더해 제5의 힘이 존재할 수 있다는 의미다.

그러나 연구 과정의 단순 실수나 실험장치 오류 가능성도 배제할 수는 없는 것으로 지적되고 있다.

지난 2011년 뉴트리노 입자가 빛보다 빨리 이동하는 것처럼 결과가 나와 표준모형을 위협했지만, 나중에 실험장치의 전기 연결부위가 잘못돼 빚어진 것으로 밝혀진 바 있다.

실제로 이날 과학 저널 '네이처'(Nature)를 통해 발표된 또다른 연구 결과는 뮤온의 g값이 표준모형 예측한 것과 차이가 없다는 페르미랩과는 상이한 결과를 내놓기도 했다.

eomns@yna.co.kr

(끝)



<저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포 금지>
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