뮤온(muon)의 비정상적 자기 모멘트, 새로운 물리학의 증거? (동영상)

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-04-11 16:19:10
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- 소립자의 비정상적인 자기 모멘트(magnetic moment), 표준모델 표준편차에서 벗어나
- 현재 결과는 2018 muon-g-2 실험에서 수집된 약 80억 뮤온 데이터를 기반
- 물리학자들은 이미 2019년과 2020년의 결과를 평가하고 있다.

뮤온(Muon)은 새로운 물리학의 증거를 제공한다.
입자의 비정상적인 자기 모멘트는 표준 모델과의 편차를 보여준다.

 

흥미로운 불일치 :
전자의 무거운 형제인 뮤온(muon)은 예상과 다르게 행동한다.
Muon-g-2 실험의 현재 측정에서 확인된 바와 같이, 소립자의 비정상적인 자기 모멘트(Magnetic moment)는 물리적 표준 모델에서 예측한 것보다 4.2 표준 편차를 벗어난다. 이것은 뮤온이 아직 감지되지 않은 입자 또는 힘과 상호 작용하고 있음을 나타낼 수 있다.
▲ 뮤온 저장 고리의 일부보기-여기서 물리학자들은 이 소립자의 변칙적 자기 모멘트에서 표준 모델과의 편차를 측정했다. © Fermilab

뮤온은 수명이 극도로 짧고 “사촌”인 전자보다 약 200배 더 무겁다.
뮤온도 자기 모멘트를 가지고 있다. 외부에서 작용하는 자기장에서 상호 작용은 이 내부 자석의 방향을 약간 변동시킨다. 이는 세차 운동으로 인해 지구 축이 약간 흔들리는 것과 유사하다. 소위 g-팩터는 뮤온의 전하, 질량 및 스핀을 기준으로 정확하게 계산할 수 있다.

이상 현상

비정상이 있다.
외부 자기장을 통해 날아갈 때 뮤온은 양자 섭동과 상호 작용해 입자 쌍이 무에서 갑자기 나타나고 다시 사라진다. 이러한 상호 작용은 소위 비정상 자기 모멘트라고 하는 g-계수를 약간 변경한다. 표준 물리 모델에 따르면 이러한 이상 현상은 a=116,591,810(43) x 10^-11 값을 가져야 한다.

그러나 미국의 Brookhaven National Laboratory에서 측정한 결과 약 20년 전 목표값과 편차가 있었다. 당시 muon-g-2 실험에서 결정된 불일치는 약 3.7 표준 편차로 신뢰할 수 있는 발견으로 간주하기에는 너무 적었다. 측정의 정밀도는 이것에도 충분하지 않았다.
그 이후로 물리학자들은 이 편차가 실제인지 아니면 이론과 실험의 체계적인 불확실성의 결과인지 조사해 왔다.
▲ 미국 Fermilab에서 muon g-2 실험 © Fermilab

편차가 4.2 시그마로 증가한다.

이제 새롭고 더 정확한 측정 데이터가 있다.
그것들은 muon-g-2 실험의 새롭고 더 정확한 버전을 실행하는 Fermi National Accelerator Laboratory(Fermilab)에서 획득되었다. 균일하게 편광된 뮤온은 직경 14.20m의 고리 모양의 저장 고리에 공급된다. 강한 자기장의 영향을 받아 자기 모멘트와 스핀 방향을 측정하는 동안 링을 순환한다.

측정 결과 :
실험에서 결정된 뮤온의 변칙적 자기 모멘트는 a = 116.592.040(54) x 10^-11이다.
Muon g-2 협력팀이 보고한 바와 같이 측정 불확실성은 이제 460억에서 10억에 불과하다. 따라서 새로운 측정값은 표준 모델에서 예측된 값에서 4.2 표준 편차 (4.2 시그마)만큼 벗어난다. 실험과 이론 사이의 이러한 불일치가 무작위일 확률은 이제 0.0025%(40,000분의 1)에 불과하다.

이것은 이론과의 불일치가 물리학자들이 발견에 대해 말하는 가치(이 경우 표준 모델에 대한 명확한 반박)보다 약간 낮다는 것을 의미한다. 이를 위해 시그마값은 0.00005% 미만의 임의확률에 해당하는 5에 도달해야 한다.
▲ 뮤온 g-2 실험 결과를 Brookhaven과 이론적 목표값과 비교했다 © Fermilab
 
표준 모델의 설명 차이

아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory)의 랜 홍(Ran Hong)은 "이것은 매우 흥미로운 결과다"고 말했다.
새로운 측정은 표준 모델에 설명 차이가 있음을 시사하기 때문이다.
분명히 뮤온은 자기장을 통해 비행할 때 예상되는 양자 섭동과 상호 작용할 뿐만 아니라 아직 알려지지 않은 입자 또는 힘에 의해 아직 알려지지 않은 요인의 영향을 받는다.

“우리가 측정한 값은 뮤온이 우주의 다른 모든 것과의 상호 작용을 반영한다. 그러나 이론 물리학자들이 같은 세계를 계산하고 알려진 모든 입자와 힘을 고려할 때 우리는 같은 답을 얻지 못한다”라고 켄터키(Kentucky) 대학의 르네 파테미(Renee Fatemi)는 말한다. "이것은 뮤온이 아직 우리의 가장 훌륭한 이론에 포함되지 않은 어떤 것에 반응하고 있다는 강력한 증거다.”

© Fermilab>


대부분 데이터는 여전히 평가 대기 중

현재 결과는 2018 muon-g-2 실험에서 수집된 약 80억 뮤온 데이터를 기반으로 한다.
물리학자들은 이미 2019년과 2020년의 결과를 평가하고 있다.
따라서 그들은 결과의 정확성과 중요성이 더욱 높아질 것이라고 확신한다.
페르미 연구소의 크리스 폴리(Chris Polly)는 "지금까지 실험 전체적으로 파악할 모든 데이터의 6%만 평가했다. 그러므로 앞으로 몇 년 안에 더 많은 것을 알게 될 것이다”고 설명했다

또한 다른 방법을 사용해 뮤온의 변칙적 자기 모멘트를 결정할 수 있는 추가 실험이 일본을 포함해 계획되어있어 독립적인 확인을 제공한다. 그러나 표준 모델에서 가능한 간격에 대한 참조가 증가하고 있음이 이미 분명해 보인다.
예를 들어 CERN의 물리학자들은 최근 뷰티 쿼크가 분열했을 때 표준 모델에서 편차를 발견했다.
(Physical Review Letters, 2021; doi : 10.1103 / PhysRevLett.126.141801)
출처 : DOE / Argonne National Laboratory, American Physical Society (APS), University of Massachusetts

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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