IBS 등 국제 연구진, 새로운 기본입자 존재 가능성 확인
- (대전=뉴스1) 심영석 기자
물리학 표준모형 바꿀 연구성과…과학계 주목
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지금까지 확인된 기본입자 외에 추가 입자 혹은 힘의 존재 가능성이 규명됐다.
8일 기초과학연구원(이하 IBS, 원장 노도영)에 따르면 액시온 및 극한상호작용 연구단 야니스 세메르치디스 단장과 연구진 등 8명은 페르미 연구소를 비롯한 공동 연구진과 함께 뮤온 흔들림을 측정해 발표했다.
연구진은 '뮤온(전자의 무거운 형제 격으로, 고에너지 입자들이 충돌할 때 발생한다. 약 2 마이크로 초의 수명을 가진다)'이 현대물리학의 예측과 다르게 행동함을 신뢰도 4.2 시그마로 입증했다.
일반적으로 어떤 실험의 신뢰도가 3 시그마(99.7%)면 ‘힌트’의 범주에 들어가고, 5 시그마(99.99994%) 이상이면 ‘발견’으로 인정된다.
이같은 연구결과는 수십년간 미제로 남아있던 이론과 실험의 불일치를 확인한 것으로, 새로운 물리학을 개척할 단서가 될 것으로 기대된다.
현대물리학의 정수인 표준모형은 원자보다 작은 입자인 아원자 세계를 가장 잘 설명하는 이론이다.
뮤온은 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 g값을 매우 정확하게 계산할 수 있다. 만약 진공에 우리가 모르는 입자나 힘이 있다면, g 값은 예측과 달라진다.
이번 결과는 뮤온 g-2 실험을 첫 1년간 운행한 데이터를 분석한 결과로, 뮤온 g 값을 2.00233184122로 새롭게 제시했다.
표준모형으로 계산한 이론값은 2.00233183620이다.
이번 실험의 신뢰도인 4.2 시그마는 과학적 발견 기준인 5 시그마에는 못 미치지만, 여전히 강력한 증거이다.
이번 결과가 통계적 오차로부터 기인했을 확률은 4만분의 1이다.
이는 선행 실험인 브룩헤이븐 연구소 실험(1997~2001)이 신뢰도 3.7 시그마로 제공한 힌트를 1년 만에 더 높은 신뢰도로 확인한 것이다.
공동연구진은 현재 뮤온 g-2 실험의 2차와 3차 데이터를 분석 중이며, 4차 실험을 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.
이어 “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 덧붙였다.
한편, 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’ 8일자에 게재됐다.
km5030@news1.kr
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