흔들리는 뮤온 실험과 자연의 다섯 번째 힘 (물리학의 혁명)

가장 큰 입자 물리학 실험 중 하나를 수행하는 과학자들은 "흔들리는 작은 입자가 자연의 다섯 번째 힘을 드러낼 수 있다"라고 발표했습니다. 이들은 "흔들리는 뮤온의 발견이 물리학의 혁명을 촉발할 것을 약속했지만 확실히 알기 위해서는 더 많은 결과가 필요하다"라고 전했습니다. 미국 시카고 근처에 위치한 페르미 국립 가속기 연구소의 물리학자들은 아원자 입자인 뮤온이 예상보다 훨씬 더 많이 흔들리고 있다는 증거를 다량 발견했습니다. 연구에 참여한 구성원들은 알려지지 않은 힘이 뮤온을 밀고 있기 때문이라고 판단했습니다.

 

해당 결과는 지난 2021년 수행됐던 실험을 기반으로 삼았습니다. 이번 시도에서는 실험적 불확실성이 2배 감소해 4배의 데이터를 생성했습니다. 이번 발견이 사실이고 이러한 측정을 둘러싼 이론적 논란이 극복될 수 있다면, 이는 아원자 입자를 설명하는 지배적인 이론이 확고해진 지난 50년 동안 볼 수 없었던 종류의 물리학의 돌파구가 될 수 있습니다. 한 연구원은 "자기 모멘트로 알려진 뮤온의 미세한 흔들림은 과학의 기초 자체를 뒤흔들 가능성이 있다"라며 흥분을 감추지 못했습니다.

 

뮤온 g-2라고 알려진 해당 실험에 참여하고 있는 페르미 국립 가속기 연구소의 수석 과학자 브렌던 케이시는 "우리는 정말로 새로운 영역을 조사하고 있다"라며 입을 열었습니다. 케이시는 "우리는 이전에 볼 수 없었던 더 나은 정밀도로 뮤온 자기 모멘트를 결정하고 있다"라고 전했습니다.

 

때때로 지방 전자라고도 불리는 뮤온은 전자와 유사하지만 200배 더 무겁고 방사능적으로 불안정합니다. 수백만 분의 1초 만에 전자와 중성미자로 알려진 작고 유령 같은 전하 없는 입자로 붕괴되는 뮤온은 스핀이라는 특성을 가지고 있으며, 마치 작은 자석처럼 행동하게 해서 자기장 내부에 있을 때 미니 자이로스코프처럼 흔들리게 만듭니다.

 

페르미 연구소의 물리학자들은 뮤온의 흔들림을 조사하기 위해 거의 빛의 속도로 입자를 화씨 영하 450도(섭씨 영하 268도) 초전도 자기 고리 주위에 보냈습니다. 이 속도는 상대론적 시간 팽창으로 인해 뮤온의 짧은 길이를 확장하며, 수명은 약 3,000배 정도 늘어납니다. 뮤온이 직경 50피트(15미터)의 고리 주위를 수천 바퀴 돌면서 어떻게 흔들리는지 관찰한 물리학자들은 뮤온이 실제보다 훨씬 더 많이 흔들리고 있음을 보여주는 데이터를 수집했습니다.

 

과학자들은 1970년대 중반 이후 변하지 않은 모든 아원자 입자를 설명하는 방정식 세트에 의해 아직 증명되지 않은 무언가의 존재가 설명이라고 해석했습니다. 이 신비로운 무언가는 중력, 전자기, 강하고 약한 핵력과는 달리 완전히 알려지지 않은 자연의 힘일 수 있습니다. 과학자들은 "또는 알려지지 않은 이국적인 입자일 수도 있고 새로운 차원의 증거일 수도 있으며 시공간에서 아직 발견되지 않은 측면일 수도 있다"라고 주장했습니다. 결론적으로 물리학자들의 데이터는 알 수 없는 무언가가 고리 내부의 뮤온을 밀고 당기고 있음을 암시합니다.

 

그러나 전체 확인에는 시간이 조금 더 걸릴 것이란 전망, 가능한 한 확실하게 하기 위해 물리학자들은 2018년부터 2023년까지 수집된 모든 데이터를 뮤온 g-2 실험에 사용할 방침입니다. 현재는 2019년과 2020년의 데이터만 사용하고 있으며 이들은 표준의 이론적 예측을 기다려야 합니다. 현재 표준 모델에서는 뮤온의 흔들림을 계산하는 두 가지 이론적 방법이 있는데 이 두 가지 방법은 상충되는 예측을 생성합니다.

 

2021년 실험 결과와 함께 발표된 계산을 포함해 이러한 계산 중 일부는 뮤온 자기 모멘트의 이론적 불확실성에 훨씬 더 큰 가치를 부여하고, 실험에서 획기적인 중요성을 빼앗을 위험이 있습니다.

 

러시아 노보시비르스크에 있는 CMD-3 가속기의 데이터를 사용한 또 다른 실험에서도 뮤온은 정상 범위 내에서 흔들리는 것으로 나타났습니다. 그러나 이 실험은 반대 결과를 암시했던 이전 가속기 실행에 대한 직접적인 모순이 드러났습니다. 페르미 연구소의 연구원들은 오는 2025년 준비될 것이라 예상되는 전체 결과가 명확한 판독을 제공할 만큼 정확하기를 기대하고 있습니다.