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새로운 측정 방법 LFC(Laser-Frequency-Comb)으로 양성자 반경 측정.
QED(양자전기역학)의 중요한 기본 수치.

새롭게 측정한 양성자(Proton) 반경, 기존값보다 더 작다.
새로운 측정 방법은 양자전기역학(QED)의 기본 이론 지원.

양성자 반경 측정값은 수년 동안 일정하지 않았다. 원인은 불분명하다.
최근 레이저-주파수 빗(Laser-Frequency Comb)을 사용한 측정으로 양성자가 오랫동안 생각했던 것보다 실제로 더 작다는 것을 확인했다. 또한 일부 측정에서 불일치는 뮤온에 대한 수소전자의 교환이 아니라는 것을 증명한다. Science에 게재된 논문에 따르면 양자전기역학의 기본 이론에 대한 의구심을 없애준다. 

▲ 레이저 주파수 빗의 도움으로 연구자들은 이전보다 더 정확하게 양성자 반경을 측정했다. © Max-Planck-Institut für Quantenoptik

양성자는 물질의 기본 구성 요소 중 하나다.
중성자와 함께 원자핵을 형성하고 리드베르크(Rydberg) 상수를 통해 모든 원소의 스펙트럼 움직임에 영향을 준다. 따라서 이 입자의 기본 특성, 특히 반경을 정확히 아는 것이 중요하다. 이것이 바로 문제가 있는 곳이다. 수년 동안 다양한 측정 방법과 실험을 통해 편차가 만들어졌다.

양자 전기 역학이 잘못되었을까?

수소의 전자가 더 무거운 뮤온으로 대체된 것을 측정할 때 양성자 반경이 놀랍도록 낮은 값을 반복적으로 나타났다. 이 값은 장기 CODATA(과학기술 데이터위원회, Committee on Data for Science and Technology, 1966년에 국제학술연합회의(ICSU)의 위원회로 설립)기준값인 0.8768 femtometer보다 4배 작다. 2019년에 양성자에서 전자 산란을 기반으로 한 측정값은 0.831펨토미터로 훨씬 더 낮았다. 그 동안 CODATA는 이에 응답해 현재 0.841 펨토 미터의 기준값을 사용할 것을 권장한다.

그러나 두 가지 질문은 여전히 ​​열려 있다.
하나는 2019년의 팀 외에도 일부 분광 측정값이 새로운 권장 양성자 반경보다 작은 이유가 명확하지 않다. 두번째는, 전자와 함께 뮤온닉 수소 대 일반 수소의 사용이 어떤 역할을 하는지에 대한 의문이 제기된다.

양자전기역학(QED) 이론에 따르면 두 변종 모두 동일한 양성자 반경을 가져야 한다.
그러나 2018년에 일반 수소 원자에 대한 분광 측정은 의심을 불러일으켰다.
이전 CODATA 값인 0.8768 femtometer에 거의 도달했다.

▲ 양성자 반경값이 불일치한 실험결과. © Grinin et al. / MPQ

레이저 주파수 빗을 사용한 양성자 측정

양자전기역학이 잘못됐을까?
이를 명확히 하려고 독일 바이에른 주 가싱(Garching)에 있는 Max Planck 양자 광학 연구소의 알렉세이 그리닌(Alexey Grinin)과 동료는 최근 새로운 방법을 사용해 양성자 반경을 다시 측정했다.
정상 수소 원자에서 들뜬 3S 상태에서 1S 레벨로의 전자 전이 에너지를 결정했다.
이로부터 양성자 반경을 결정할 수 있다.

이 측정을 위해 연구원들은 ‘도플러-free 2-광자 주파수 빗 분광법’을 사용했다.
이 생소한 단어 뒤에는 빛을 고정밀도로 개별 파장으로 분할하는 기술이 있다.
이들은 빗처럼 나란히 놓여 있으며 특히 정밀한 분광 측정을 가능하게 한다.
현재 측정의 경우, 팀은 양성자의 반경을 소수점 13자리까지 4배의 정확도로 측정하는 데 성공했다.

수소 원자 작은 반경 확인

그 결과 Grinin과 그의 동료들은 양성자 반지름에 대해 0.8482 femtometer 값에 도달했다. 측정 결과 이전 CODATA 기준값이 너무 높은 것으로 확인됐다.
연구원들은 "우리의 측정값은 현재 온라인에서만 제공되는 0.841펨토미터의 수정된 CODATA 값과 잘 일치한다"고 말했다.

동시에, 이 결과는 더 낮은 값이 뮤온닉 수소를 사용한 측정뿐만 아니라 원자, 일반 수소에도 적용된다는 것을 보여준다. “우리 연구는 뮤온닉 수소의 데이터를 지원한다”고 과학자들은 말했다. 그러나 이상하게도 현재 값은 2018년의 측정값과 모순된다.
파리의 물리학자들이 분광법은 다르지만 동일한 전자 전이인 1S-3S를 측정했다.

실험적 오류가 원인일까?

Grinin과 동료들은 "우리의 결과는 한 가지 또는 두 가지 측정 방법에서 아직 밝혀지지 않은 더 나아가 아직 밝혀지지 않은 체계적인 효과를 가리킨다"고 말했다.
전반적으로 양자 전기 역학이 계속 적용되고 뮤온닉 및 원자 양성자 반경에서 물리적으로 정당화된 편차가 없다는 결론에 도달했다. 대신, 다른 양성자 반지름의 문제는 주로 실험 요인으로 인한 것 같다.
(Science, 2020; doi : 10.1126 / science.abc7776)
출처 : Max Planck Institute for Quantum Optics

[더사이언스플러스=문광주 기자] "No Science, No Future"

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