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양자역학의 기본 예측을 소수점 13자리까지 정밀하게 검증

양성자의 크기는 얼마나 될까요?
새로운 측정으로 양성자 반지름과 표준 모형이 전례 없는 정밀도로 검증돼

물리학자들이 전례 없는 정밀도로 양성자의 반지름을 측정해 입자 물리학의 표준 모형을 검증했다. 이번 측정 결과는 양성자 반지름이 기존에 생각했던 것보다 작지만 새로운 기준값과 일치함을 보여준다. 동시에, 수소 원자의 에너지 전이 측정에서도 양자역학의 기본 예측을 소수점 13자리까지 정밀하게 검증하여 이를 확인했다고 연구팀은 학술지 "네이처(Nature)"에 발표했다. 

▲ 물리학자들은 이 장비를 사용해 현재까지 가장 정밀한 양성자 반지름 측정값을 얻었다. © 막스 플랑크 양자 광학 연구소

양성자는 물질의 기본 구성 요소 중 하나이며, 중성자와 함께 원자핵을 이룬다. 양성자의 질량과 반지름은 리드버그 상수와 같은 중요한 기본 상수들의 기초가 된다. 리드버그 상수는 예를 들어 스펙트럼선을 특정 원소에 할당하는 데 사용된다. 또한, 양성자의 빛에 대한 반응은 양자 전기역학(QED)으로 설명되며, 이는 입자 물리학의 표준 모형을 뒷받침하는 핵심 요소 중 하나다.

하지만 놀랍게도 양성자 반지름은 수수께끼였다. 측정 결과가 오랫동안 CODATA 기준값으로 사용되어 온 0.8768fm(femtometer 펨토미터 )보다 낮은 값을 반복적으로 나타냈기 때문이다. 이에 따라 2020년 이 기준값은 0.841fm로 수정됐다. 그러나 일부 측정 방법에서는 일반 수소와 뮤온 수소 사이에서도 여전히 편차가 나타난다. 뮤온 수소는 원자의 전자가 약 200배 무거운 뮤온으로 대체되어 측정이 단순화된 상태다.

▲ 양성자는 모든 물질의 기본 구성 요소다. 하지만 양성자의 전하 반지름은 오랫동안 수수께끼로 남아 있었다. © Jacek Rybak/ CC-by-sa 4.0

들뜬 수소와 특수 분광기

이제 물리학자들은 현재까지 가장 정밀한 측정 방법을 사용해 양성자 반지름을 재검토했다. 가르힝에 있는 막스 플랑크 양자광학 연구소의 로타르 마이젠바허 연구팀은 소위 도플러 없는 단일 광자 분광법을 사용했다. 이 기술은 도플러 효과로 인한 왜곡을 최소화하면서 수소의 에너지 전이를 매우 정확하게 측정할 수 있게 해준다.

이 측정의 기본 원리는 4.6켈빈으로 냉각된 수소 원자 빔을 레이저 펄스로 특정 에너지 상태, 즉 소위 2S-6P 준위로 여기시키는 것이다. 실험 챔버에서 수소 원자는 두 개의 서로 다른 낮은 에너지 상태로 되돌아간다. 물리학자들은 특수 분광 레이저를 사용하여 광자 형태로 방출되는 에너지를 측정했다. 이 값을 다른 주파수 전이와 비교함으로써 양성자 반지름을 결정할 수 있었다.

▲ b. 실험 장치의 주요 구성 요소(축척에 맞춘 단면도). 검은색 점선(분광 레이저에 수직)은 원자 빔 오프셋 각도 α0(과장됨)와 레이저 편광 각도 θL을 나타낸다. (출처: Published: 11 February 2026 / Sub-part-per-trillion test of the Standard Model with atomic hydrogen / nature)

양성자 반지름, 기준값과 일치

측정 결과 양성자 전하 반지름은 0.8406fm로 나타났다. 마이젠바허와 그의 동료들은 "이 측정값은 원자 수소에 대한 두 번째로 정확한 값보다 2.5배 더 정밀하고, 2S-4P 전이를 기반으로 한 자체 측정값보다 6배 더 정밀하다"고 밝혔다. 분광 측정의 해상도가 매우 높아 스펙트럼 선폭의 1만5천 분의 1까지 전이 주파수를 확인할 수 있다. "우리가 아는 한, 이는 레이저 분광학에서 전례 없는 결과다"고 연구팀은 밝혔다.

더욱 중요한 것은, 이 새로운 값이 뮤온 수소로 측정한 값과 일치하며, 새로운 CODATA 기준값과도 매우 가깝다는 점이다. 이는 양성자 반지름이 이전에 생각했던 것보다 작다는 것을 확인시켜 줄 뿐만 아니라, 최근 측정 결과와 새로운 기준값을 뒷받침한다.

표준 모형과의 1조분의 1 오차 범위 내 일치

다음 단계로, 물리학자들은 자신들의 측정값을 이용해 입자 물리학, 특히 양자 전기역학의 표준 모형을 검증했다. 양자 전기역학은 원자가 서로 다른 양자 상태 사이에서 전이될 때 필요한 에너지를 예측한다. "수소는 비교적 구조가 단순하고 계산하기 매우 간단해 양자 전기역학, 즉 표준 모형을 검증할 수 있었다."라고 마인츠 대학교의 공동 저자 란돌프 폴은 설명다.

▲ 양성자 반지름의 이전 측정값과 현재 측정값을 비교했다. © Maisenbacher et al./ Nature, CC-by 4.0

결과적으로, 수소의 2S-6P 전이에 대한 측정된 주파수는 표준 모형의 예측값과 거의 완벽하게 일치한다. 두 값은 소수점 13번째 자리까지만 차이가 난다. "이는 0.7ppt(parts per trillion)의 정밀도로 표준 모형을 검증한 것과 같다"고 마이젠바허(Maisenbacher) 연구팀은 밝혔다. 이는 수소 원자의 에너지 준위를 측정하는 새로운 기준을 제시한다.

연구진은 자신들이 개발한 이 방법을 수소나 중수소 원자의 다른 에너지 전이도 검증하는 데 사용할 수 있다고 설명했다. "상보적인 접근 방식들과 함께, 이 방법이 속박 상태에서의 양자 전기역학 검증에 상당한 진전을 가져올 것으로 기대한다"고 연구팀은 덧붙였다.

참고: Nature, 2026; doi: 10.1038/s41586-026-10124-3
출처: Nature, Johannes Gutenberg University Mainz

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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