전자: 전하는 둥글다

전자의 전기 쌍극자 모멘트의 가장 정확한 측정으로 표준 모델 확인

대칭 파괴가 보이지 않음:
물리학자들은 전자의 기본 속성인 전기 쌍극자 모멘트(eEDM)를 재측정했다. 새로운 값은 전자의 전하가 정확히 구형이므로 팀이 "Science"에 보고한 것처럼 외부 전기장의 방향이 역전되더라도 대칭적으로 반응한다는 것을 보여준다. 이것은 표준 모델을 확인하고 불행하게도 예를 들어 반물질에 대한 물질의 우세를 설명할 수 있는 대칭 위반의 징후를 제공하지 않는다.

지금까지 표준 물리적 모델은 모든 테스트를 통과했지만, 그 모델에는 큰 차이가 있다. 암흑 에너지와 암흑 물질이 무엇인지 설명할 수 없으며 오늘날 우주에서 중력이나 반물질에 대한 물질의 우세를 설명할 수 없다. 따라서 과학자들은 아직 알려지지 않은 힘이나 입자가 있을 것이라고 의심한다. 이들은 우주의 알려진 구성 요소와 상호 작용하고 속성이나 반응에 미묘하게 영향을 미침으로써 스스로를 포기할 수 있다.

전자의 기본 전하는 얼마나 둥글까?

새로운 물리학의 숨겨진 영향에 대한 가능한 표시는 전자의 전기 쌍극자 모멘트(eEDM)다. 이것은 전자의 기본 전하의 형태와 전자가 외부 전기장에 어떻게 반응하는지를 나타낸다. 표준 모델에 따르면 전하는 대칭적으로 반응해야 하며 거의 정확히 구형이어야 한다. 0의 eEDM 값으로부터의 편차는 최대 10^-38ecm이어야 한다(e는 기본 전하를 나타냄).

반면에 전자의 기본 전하가 "둥글지 않은" 경우 대칭 파괴가 발생한다. 이는 입자가 편차가 발생하지 않고 더 이상 공간적 또는 시간적으로 반사될 수 없기 때문이다. 이러한 대칭 위반은 오늘날 우주에 반물질보다 물질이 더 많은 가능한 이유라고 생각된다. 그러나 지금까지 이것이 쌍극자 모멘트 때문이라는 증거는 없다. 지금까지 eEDM 값에 대한 모든 측정 결과는 표준 모델과 일치했지만, 아직 충분히 정확하지는 않다.

미국 NIST(National Institute of Standards and Technology)의 Tanya Roussy와 그녀의 동료들은 "0보다 큰 eEDM 측정은 현재 측정 정확도로 새로운 물리학에 대한 명확한 신호가 될 것이다"며 "반면에 표준 모델과 여전히 일치하는 보다 정확한 측정은 물질-반물질 불균형에 대한 많은 일반적인 설명에 도전적인 한계를 부여할 것이다"고 설명했다.

측정 보조 장치로서의 분자 내 필드

따라서 Roussy 주변의 물리학자들은 전자의 전기 쌍극자 모멘트를 이전보다 더 정확하게 다른 방법으로 다시 측정했다. 이를 위해 그들은 전자와 전자의 전하가 외부 전기장에서 극성 반전에 얼마나 대칭적으로 반응하는지 결정했다. 이전 측정과 유사하게, 그들은 이를 위해 고립된 전자를 사용하지 않고 이온화된 분자, 하프늄 플루오라이드 이온(HfF+)의 전자를 사용했다.

이것의 이점:
"분자 내 전기장은 실험실에서 생성된 어떤 것보다 10만 배 더 강할 수 있다”고 팀은 설명한다. 동시에 상대적으로 약한 외부 필드는 분자의 분극화를 변경하고 따라서 내부 전기장의 방향도 바꾸기에 충분하다. Roussy와 그녀의 동료들은 분자의 에너지를 측정하기 위해 복잡한 분광학적 방법을 사용했으며, 따라서 분자 장에 대한 기본 전하의 정류 및 반대 방향에서 측정 전자를 측정했다.

편차 표시 없음

결과:
약 2만 개의 분자를 측정한 후 연구원들은 여전히 ​​표준 모델과 일치하는 전자의 전기 쌍극자 모멘트 값에 도달했다. "우리의 결과는 0과 양립할 수 있다"고 Roussy와 그녀의 동료들은 보고했다. 따라서 eEDM 값은 4.1 x 10^-30 ecm보다 높을 수 없다.

따라서 이 결과는 다른 방법으로 얻은 이전 결과를 확인하는 동시에 측정 정확도를 2.4배 증가시킨다. "새로운 물리학"과 여전히 인식되지 않은 입자와 관련하여 이것은 그들의 공간이 더 좁아졌음을 의미한다. Roussy와 그녀의 동료들이 설명하는 것처럼 아직 알려지지 않은 입자나 힘에 대한 일부 가설과 이론도 이 측정값으로 반박될 수 있다.

여전히 "새로운 물리학"을 위한 여지

한편, 산타 바바라에 있는 캘리포니아 대학의 Mingyu Fan과 Andrew Jayich가 강조한 것처럼 측정은 여전히 ​​새로운 물리학의 여지를 남겨 둔다. 현재 Roussy와 그녀의 팀이 측정한 것보다 10억 배 작다. "이것은 더 높은 감도를 가진 향후 실험에서 발견할 수 있는 충분한 여지를 남긴다."
(Science, 2023; doi: 10.1126/science.adg4084)
출처: Science, American Association for the Advancement of Science (AAAS)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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