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비상적인 자기 모멘트(anomalous magnetic moment) 재계산으로 표준 모형 확인

뮤온: 결국 새로운 물리학의 증거는 없다
이상 자기 모멘트(anomalous magnetic moment) 재계산으로 표준 모형 확인

더 이상 불일치 없음:
표준 모형을 넘어서는 새로운 물리학의 가장 유력한 증거 중 하나였던 뮤온의 이상 자기 모멘트가 반박됐다. 뮤온은 외부 자기장에서 표준 모형이 예측한 대로 정확하게 행동한다. 이는 이상 자기 모멘트의 재계산을 통해 밝혀졌다. 이 재계산은 측정값과 이론적 예측값 사이의 기존 불일치를 해소하여, 물리학자들이 "네이처"에 발표한 바와 같이 소수점 11자리까지 표준 모형을 확인시켜 주었다. 

▲ 뮤온은 지금까지 표준 모형에서 예측한 것과는 다르게 자기장에서 반응하는 것으로 나타났다. © Universität Wuppertal

수십 년 동안 물리학자들은 전자의 "형제"라고 불리는 무거운 입자 뮤온의 기본 물리량인 이상 자기 모멘트(anomalous magnetic moment of the muon, aμ)의 불일치에 대해 의문을 품어왔다. 이 물리량은 외부 자기장에 의해 뮤온의 자기 스핀이 얼마나 휘어질 수 있는지를 나타낸다. 이론적으로 이 값은 입자의 전하, 질량, 스핀뿐만 아니라 양자 요동의 영향에 의해 결정된다. 이는 g-인자를 미미하게 변화시키는데, 이를 이상 자기 모멘트(aµ)라고 한다.

수수께끼 같은 불일치

표준 모형에 따르면, 뮤온의 자기 모멘트는 이론이 정확하고 완전하다고 가정할 때 2에서 약 0.1% 정도 벗어나야 한다. 그러나 실험적으로 측정된 aµ 값은 이 이론적 예측과 상당히 차이가 난다. 이로 인해 "새로운 물리학"이 숨어 있을지도 모른다는 의혹이 제기되었다. 즉, 이전에 발견되지 않은 힘이나 입자가 뮤온에 작용하고 있다는 것이다.

▲ 페르미랩의 뮤온-g-2 실험은 뮤온의 이상 자기 모멘트에 대해 현재까지 가장 정확한 측정값을 제공했다. © Ryan Postel/Fermilab

하지만 오차가 이론값 자체에 있는지는 여전히 불분명하다. 이상 자기 모멘트는 강한 핵력에 결정적으로 의존하는데, 그 영향을 계산하는 것은 매우 어렵다. 부퍼탈 대학의 졸탄 포도르 (Zoltan Fodor)와 그의 동료들은 "aµ를 계산할 때 불확실성은 거의 전적으로 표준 모형에서 양자색역학으로 설명되는 강한 상호작용에서 비롯된다"고 설명했다.

▲ 각 그룹의 왼쪽에 있는 파란색 막대는 2017년 결과24, 분홍색 막대는 2020년 결과1, 주황색 막대는 본 연구 결과를 나타낸다. 본 연구의 아이소스핀 대칭 깨짐 불확실성(5)은 물리적 척도 설정 방식의 변경으로 인해 2020년보다 약간 더 크다. Ω− 바리온에서 파이온 붕괴율로 변경하면서 다른 불확실성은 감소했지만 아이소스핀 대칭 깨짐 불확실성은 증가했다. 참고: 통계적 오차(1)는 유한 부피에서 아이소스핀 대칭 기여도의 오차를 나타낸다. 유한 크기(2) 및 아이소스핀 대칭 깨짐(5) 오차에는 각각 0.08% 및 0.16%의 통계적 요소가 포함되어 있다. (출처:Published: 22 April 2026 / Hybrid calculation of hadronic vacuum polarization in muon g − 2 to 0.48% nature)

이론값을 새롭게 재계산

물리학자 연구팀은 뮤온의 자기 모멘트에 대한 중요한 매개변수를 재계산했다. "우리는 다양한 에너지 영역에서 실험 데이터의 장점과 격자 게이지 이론의 장점을 결합한 하이브리드 접근 방식을 사용했다"고 물리학자들은 설명했다. 격자 게이지 이론은 시공간을 최소 간격의 셀로 나누고 그 안에서 표준 모형의 방정식을 푸는 이론이다. 이번 재계산에서 연구팀은 기존보다 더 미세한 격자를 사용하고 여러 영향 요인들을 정밀하게 조정했다.

10년 이상 슈퍼컴퓨터를 이용한 데이터 분석 및 계산 끝에 마침내 결과가 나왔다. 이는 뮤온의 소위 진공 편극에 대한 현재까지 가장 정확한 값이다. 이 매개변수를 이상 자기 모멘트 계산에 포함시키면, 지금까지 나온 값 중 가장 정밀한 값을 얻을 수 있다. "이처럼 불확실성이 감소함으로써 우리는 전례 없는 정밀도로 이론과 실험을 비교할 수 있게 되었고, 따라서 표준 모형을 소수점 11자리까지 검증할 수 있게 되었다"고 애들레이드 대학교의 공동 저자 핀 스토크스(Fin Stokes)는 말했다.

▲ 뮤온의 이상 자기 모멘트에 대한 새롭게 계산된 값(빨간색), 현재까지 가장 정확한 측정값(녹색), 그리고 추가적인 이론적 값(보라색) 및 실험적 값(파란색)을 나타낸 그림이다. © Fodor et al./ Nature, CC-by 4.0

불일치 해소

가장 중요한 점은 새로운 이론값을 통해 뮤온의 비정상적인 자기 모멘트에 관한 측정 결과와 이론 사이의 불일치가 사라졌다는 것이다. "불일치가 더 존재하지 않는다는 것을 보여줄 수 있었다"며, "지금까지 알려진 상호작용으로 측정값을 완벽하게 설명할 수 있다"고 연구팀은 이론과 최신 실험 간의 편차가 이제 0.5 표준편차에 불과하다고 보고했다.

이로써 물리학자들은 수십 년 동안 풀리지 않았던 수수께끼를 해결했을지도 모른다. 연구 결과에 따르면 뮤온은 표준 모형에 따라 정확히 행동한다. 이는 적어도 이 입자에 대해서는 새로운 물리학의 가능성을 배제한다. "솔직히 말해서, 저는 약간 슬프다"고 포도르는 말했다. 그는 "우리가 이 값을 계산하기 시작했을 때, 다섯 번째 기본 힘에 대한 강력한 증거를 찾을 수 있을 거라고 생각했다. 하지만 결과적으로 그러한 다섯 번째 기본 힘은 존재하지 않는다는 것을 발견했다"고 말했다.

참고: 네이처, 2026; doi: 10.1038/s41586-026-10449-z
출처: Nature, Pennsylvania State University, Adelaide University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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