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- 1983년에 발견된 W-보손은 물리학 표준 모델의 기본 소립자 중 하나
- 기본 물리력의 운반체 입자 중 하나로 Z-보손과 함께 약한 핵력을 매개
- 표준모델에 따르면 W-보손은 실제 중량물, 양성자보다 약 80배 더 큰 질량 가져야 한다.
- 표준 모델이 허용하는 것보다 무거움

W-boson은 표준 모델과 모순된다.
기본 입자의 질량 예상보다 훨씬 높아

미스테리한 불일치:
물리학자들이 W-보손의 질량을 그 어느 때보다 더 정확하게 결정했으며 물리학의 표준 모델에서 명백한 편차를 발견했다. 약한 핵력의 운반체 입자는 이론상 있어야 하는 것보다 훨씬 무겁다. 이러한 불일치는 표준 모델이 불완전하고 알려진 물리학을 넘어서는 힘이나 입자가 있음을 나타낼 수 있다. 

▲ 물리학자들은 Tevatron 가속기의 입자 붕괴로부터 W-보손의 질량을 그 어느 때보다 정확하게 다시 계산했다(그림). © Petrovich9/ 게티 이미지

1983년에 발견된 W-보손은 물리학 표준 모델의 기본 소립자 중 하나다. 기본 물리력의 운반체 입자 중 하나로 Z-보손과 함께 약한 핵력을 매개하기 때문이다. 이것은 원자가 서로 붕괴하거나 융합할 때 항상 작동한다(예: 방사성 베타 붕괴 또는 태양에서 수소 핵융합).

물리학의 표준 모델에 따르면 W-보손은 실제 중량물이어야 하며 양성자보다 약 80배 더 많은 질량을 가져야 한다. 이것은 힉스 입자, 톱 쿼크 및 전자의 전하와 같은 다른 입자와의 상호 작용에 대한 이론적 계산에 따른다. 이것이 사실이라면 W-보손의 질량은 80.357메가전자볼트여야 합니다. 하지만 그럴까?

데이터베이스로서의 420만 붕괴

이것은 이제 미국 페르미 국립 가속기 연구소(Fermi National Accelerator Laboratory)의 CDF 협업의 물리학자들에 의해 확인됐다. 그들의 측정은 양성자와 반양성자가 고속으로 충돌하게 된 Tevatron 입자 가속기의 데이터를 기반으로 한다. 이러한 충돌은 W-보손을 생성하며, 이는 짧은 시간 후에 전자와 중성미자 또는 뮤온과 중성미자로 붕괴된다. 비행 방향과 이러한 붕괴 생성물의 에너지는 W 보존이 얼마나 무거웠어야 하는지를 결정하는 데 사용할 수 있다.

▲ Tevatron(배경)과 두 개의 가속 링, 페르미연구소의 테바트론 가속기(출처:en.wikipedia.org, from Riffsyphon1024)

그들의 연구를 위해 과학자들은 1985년과 2011년 사이에 Tevatron에 등록된 420만 개 이상의 붕괴를 평가했다. 듀크 대학의 CDF 물리학자 Ashutosh Kotwal은 "이 데이터 세트는 이전 측정보다 4배 더 크고 통계적 정확도는 2배다. 우리는 우리의 결과를 엄청난 양의 확인과 테스트를 거쳤다"고 말했다. 여기에는 평가가 맹목적으로 수행되었다는 사실도 포함됐다. 관련 과학자들은 자신이 어떤 값을 확인하고 있는지 알지 못했다.

표준 모델이 허용하는 것보다 무거움

놀라운 결과:

Tevatron 측정에 따르면 W 보존의 질량은 80.4335MeV(메가전자볼트)이므로 실제보다 훨씬 무겁다. 현재까지 가장 정확하고 새로운 측정값과 표준 모델에 의해 예측된 질량 사이의 불일치는 물리학자들이 보고하는 바와 같이 7시그마의 중요성에 해당한다. 이것은 입자 물리학의 발견에 필요한 5시그마를 훨씬 능가한다.

▲ 표준모형에서 W 보손은 기본력의 운반체 입자에 속하며 약한 핵력의 매개체이다. © Fermilab

따라서 이 측정은 물리학의 표준 모델에 도전하는 결과다. 

W-보손에 대해 결정된 일부 질량도 표준 모델에서 예측한 값보다 높기 때문이다. 그러나 CERN의 LHC(Large Hadron Collider)에 있는 ATLAS 검출기에서 나온 측정값을 포함하여 몇 가지 측정값도 있었는데, 이 측정값은 상당한 편차를 감지할 수 없었다.

새로운 물리학에 대한 힌트?

현재 결과는 많은 질문을 제기한다.
"W 보존 질량에 대한 놀라울 정도로 높은 값은 표준 모델의 핵심에 있는 기본 요소와 모순됩니다."라고 캘리포니아 대학의 Claudio Campagnari와 CERN의 Martijn Mulders가 함께 Science의 논평에서 썼다. "이는 이전에 확립되고 잘 이해된 것으로 간주되었던 이론적 예측과 실험적으로 관찰된 데이터에 영향을 미친다.“ 

▲ 표준 모델 예측과 비교하여 W 보존에 대해 지금까지 측정된 질량이다. © CDF Collaboration

이는 표준 모델이 완전하지 않아 수정해야 함을 의미할 수 있다. "이제 이론 물리학자들과 다른 실험들이 이 문제를 추적하고 이 미스터리를 밝혀야 한다"고 텍사스 A&M 대학의 데이비드 토백 대변인이 말했다. Campagnari와 Mulders는 “CDF 협업의 결과는 먼저 추가 실험을 통해 독립적으로 확인되어야 한다”고 동일하게 말했다.

W-보손의 더 높은 질량이 확인된다면 이것은 표준 모델을 넘어 아직 인식되지 않은 물리적 과정의 가능한 표시가 될 것이다. "기대값과 측정값 사이의 불일치가 새로운 입자나 아직 알려지지 않은 아원자 상호작용으로 인한 것이라면 향후 실험에서 발견될 가능성이 높다"고 Toback은 말했다.
(Science, 2022; doi:10.1126/science.abk1781)
출처: DOE/Fermi National Accelerator Laboratory

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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