3분 읽기
- 표준 모형에서 기본 입자의 전기 쌍극자 모멘트는 너무 작아 현재 실험으로 감지 불가
- 전기 쌍극자 모멘트가 입자 스핀의 세차 운동을 발생시키고, 이 세차 운동을 측정
- 양성자와 중성자로 이루어진 원자핵인 중수소의 전기 쌍극자 모멘트를 최초로 측정
- 양성자-중성자 핵의 전기 쌍극자 모멘트가 현재 검출 한계 미만, 측정값은 '0'

새로운 물리학: 중수소의 궤적을 추적하다

물리학자들이 미발견된 힘이나 입자를 찾는 과정에서 양성자와 중성자로 이루어진 원자핵인 중수소의 전기 쌍극자 모멘트를 최초로 측정했다. 만약 이 입자가 기본 전하에 비대칭성을 보인다면, 이는 표준 모형을 넘어서는 "새로운 물리학"의 존재를 시사할 수 있다. 이번 실험은 이러한 가능성에 대한 새로운 기준을 제시한다. 

▲ 빅뱅 이후 물질이 반물질보다 우위에 선 이유는 무엇일까? · 사진: © Forschungszentrum Jülich(AI 생성)

입자 물리학의 표준 모형은 우주와 물리학의 많은 현상을 놀라운 정확도로 설명하며, 실험과 측정을 통해 반복적으로 검증됐다. 하지만 이 모형에는 여전히 큰 공백이 존재한다. 예를 들어, 암흑 물질의 구성 성분, 중력이 입자 모형에 어떻게 적용되는지, 그리고 빅뱅 당시 물질과 반물질이 같은 양으로 생성됐음에도 불구하고 현재 우주에서 물질이 반물질보다 훨씬 많은 이유 등을 설명할 수 없다.

쌍극자 모멘트는 새로운 물리학의 지표인가?

이는 우주에 이러한 공백을 메울 수 있는 미발견된 힘이나 입자가 존재할 가능성을 시사한다. 실제로, 실험들은 몇몇 기본 입자들의 행동에서 이러한 가능성을 보여주는 초기 징후들을 제공해 왔다. 하지만 데이터와 관측된 효과만으로는 예를 들어 우주에서 물질이 지배적인 이유를 설명하기에는 불충분하다. 따라서 물리학자들은 입자 내 기본 전하의 미세한 비대칭성인 전기 쌍극자 모멘트(EDM)로부터 아직 발견되지 않은 효과에 대한 새로운 통찰력을 얻기를 기대하고 있다.

율리히 연구소의 아힘 안드레스(Achim Andres)와 그의 동료들은 "표준 모형에서 예측되는 기본 입자의 전기 쌍극자 모멘트는 너무 작아서 현재의 실험으로는 감지할 수 없다"며, "따라서 현재의 방법으로 측정 가능한 어떤 효과라도 새로운 물리학의 가능성을 시사할 것이다"고 설명했다. 전자와 그보다 무거운 "형제" 입자인 뮤온의 경우, 물리학자들은 이미 여러 차례 전기 쌍극자 모멘트를 측정했으며, 실제로 편차는 발견되지 않았다.

▲ 첫 번째 빔 묶음에 대한 공명 강도는 RF 빈 필터 회전 각도와 시베리아 뱀의 스핀 회전의 함수로 나타난다. 결과적으로 얻어진 2차원 포물면의 최솟값은 RF 빈 필터 위치에서의 불변 스핀 축의 방향을 나타낸다. (출처:First Experimental Limit on the Permanent Electric Dipole Moment of the Deuteron / Physical Review Letters)

저장 링의 중수소

그러나 양성자나 중성자와 같이 쿼크로 구성된 하드론의 경우, 이러한 측정은 아직 초기 단계에 머물러 있다. 안드레스와 그의 동료들이 진행 중인 이번 실험은 바로 이 지점에서 시작됐다. 그들은 처음으로 양성자 하나와 중성자 하나로 이루어진 원자핵인 중수소의 전기 쌍극자 모멘트를 측정하려고 시도했다. 중수소는 구조가 단순하기 때문에 많은 기본적인 물리적 매개변수와 이론들을 검증하는 데 특히 유용하게 사용될 수 있다.

이 실험을 위해 연구팀은 율리히 연구센터의 COSY 저장링을 활용했다. 이 시설은 스핀 편극 입자를 가속하고 연구할 수 있는 세계적으로 몇 안 되는 시설 중 하나다. 연구팀은 균일한 스핀 방향을 가진 중수소를 저장링에 주입한 후, 970MeV(메가전자볼트)까지 가속된 입자의 스핀이 외부 자기장에 어떻게 반응하는지 측정했다. 그 이유는 전기 쌍극자 모멘트가 입자 스핀의 세차 운동을 발생시키고, 이 세차 운동을 측정할 수 있기 때문이다.

▲ COSY 링의 개략도. 주요 설치물(전자 냉각기, RF 빈 필터, 시베리아 스네이크, JEDI 편광계(JePo))의 위치를 ​​나타낸다. (출처:First Experimental Limit on the Permanent Electric Dipole Moment of the Deuteron / Physical Review Letters)

현재로서는 검출 한계 미만

측정 결과, 중수소의 전하 분포가 완벽하게 대칭적이지 않다는 사실이 밝혀졌으며, 편차는 2.5 x 10⁻¹⁷ e cm 미만이다. 안드레스는 "전하 중심의 차이는 중수소 지름의 1만분의 1보다 작다"고 보고했다. "만약 중수소가 경기장 크기라면, 변위는 최대 밀리미터 범위에 불과할 것이다." 이는 양성자-중성자 핵의 전기 쌍극자 모멘트가 현재 검출 한계 미만이라는 것을 의미한다. 측정값은 0에 가깝다.

하지만 물리학자들은 이 중수소 측정의 정확도가 현재 전자나 뮤온의 쌍극자 측정보다 낮다는 점도 인정한다. 그럼에도 불구하고, 이 실험은 현재 가동이 중단된 COSY와 같은 저장 링이 이러한 측정에 매우 적합하다는 것을 보여준다. 안드레스의 동료인 프레츠(Pretz)는 "중수소의 경우, 저장 링은 현재 사용 가능한 최상의 측정 방법이다”고 말했다. 이러한 정밀 측정을 위해 특별히 설계된 새로운 저장 링이 이미 계획 단계에 있다. 이러한 측정 방식은 측정 해상도를 수 자릿수만큼 향상시켜 새로운 물리학적 현상을 발견할 가능성을 높일 것으로 기대된다.

출처: Achim Andres (Forschungszentrum Jülich) 외, Physical Review Letters, 2026; doi: 10.1103/ns3s-ld4k

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]