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새로운 힘 입자 '다크 보손'예측. 암흑물질의 창시자?
이테르븀 동위원소에서 발견. 표준모델에서 힘의 전달자?

다크 보손(Dark Boson)의 증거를 발견?
양자 도약의 편차는 아직 알려지지 않은 힘 입자를 나타낼 수 있다.

명백한 편차 :
물리학자들이 아직 알려지지 않은 힘 입자의 첫 징후 ‘다크 보손(dark boson)’을 발견한 것으로 추정된다. 이것은 암흑 물질 입자의 가능한 후보로 여겨진다. 이 실험에서 연구원들은 다양한 이테르븀(Ytterbium) 동위 원소의 양자 도약에서 이상 현상을 관찰했다. 이는 그러한 다크 보손의 영향을 나타낼 수 있다. 하지만 칼슘 동위 원소에 대한 유사한 실험에서는 성공하지 못했다.

▲ 암흑보손이 있다면, 이러한 힘 입자는 원자의 중성자와 전자 사이의 상호 작용을 유발해야 한다. 이제 두 연구팀이 그것을 찾았다. © J. Hur / MIT

암흑 물질이 우주의 많은 부분을 채우고 있지만 그 성질은 여전히 ​​미스터리다.
그것이 어떤 입자로 구성되어 있는지 추측만 할 뿐 증거가 없기 때문이다.
가능한 후보는 WIMP(Weakly Interacting Massive Particles;약하게 상호작용하는 거대 입자)와 같은 일반 물질과 거의 상호 작용하지 않는 무거운 입자, 중성미자, 액시온 또는 어두운 광자와 같은 더 가벼운 입자들이다.

▲ 기본 입자들의 표준 모델

암흑 물질의 창시자로서 새로운 기본 힘?

최근에 또 다른 후보 다크 보손이 언급디고 있다.
물질 입자와 달리 보손은 기본 힘의 운반 입자이다. 원자핵의 글루온은 강력한 핵력을 전달하고 광자는 전자기력의 운반자이며 힉스 보손은 모든 것에 질량을 부여한다.
유사하게, 다크 보손은 암흑 물질과 정상 물질의 상호 작용을 제어하는 ​​일종의 다섯 번째 기본 힘이다.

사실, 물리학자들은 입자 가속기와 베릴륨 동위 원소를 사용한 붕괴 실험에서 약간의 불일치를 발견했는데, 이는 아직 알려지지 않은 boson의 존재를 나타낼 수 있다.
지금까지 모든 이러한 편차 중 어느 것도 뚜렷하게 중요하지 않았다.
이것이 두 연구팀이 최근 다른 방법을 사용해 다크 보손을 검색한 이유다.

보손 지표로서의 양자 도약

이 검색을 위해 물리학자들은 동일한 원소의 안정된 동위 원소의 양자 도약을 비교한다.
원자에 에너지를 추가하면 전자가 에너지적으로 더 높은 상태로 바뀐다.
이러한 변화가 발생하는 시기는 자극 방사선의 빈도에 따라 다르지만 원자핵에 있는 중성자 수에 따라 달라진다. 물리학의 표준 모델에 따르면 동위 원소의 양자 도약은 소위 "King Plot"에 설명된 선형 관계를 따른다.

실마리 :
만약 다크 보손이 존재한다면 원자의 전자와 중성자 사이에 작은 힘을 발생시켜야 한다.
이것은 차례로 원자가 들뜬 상태일 때 원자의 행동을 약간 변경하고 이에 따라 양자 도약의 위치를 ​​변경한다. King Plot에서 편차가 있을 수 있다. (예시 아래 King Plots)

▲ King plots 비선형 성의 개략도. 수정된 주파수 n1 및 n2는 3 쌍의 동위 원소에 대해 플롯된다. 포인트 c와 가상 포인트의 차이 ~c가 a 및 b와 같은 선에 있으면 플롯의 비선형성을 평가한다. / 인용:Isotope shift, nonlinearity of King plots, and the search for new particles V. V. Flambaum, A. J. Geddes, and A. V. Viatkina Phys. Rev. A 97, 032510 – Published 19 March 2018(편집자 주)

MIT (Massachusetts Institute of Technology)의 Ian Counts가 이끄는 팀은 5개의 이테르븀 동위 원소에 대한 사례인지 조사했다. Aarhus University의 Cyrille Solaro가 이끄는 두 번째 팀은 이를 위해 5개의 안정한 칼슘 동위 원소를 사용했다.

두 실험에서 동위 원소는 절대 영도 바로 위의 온도로 냉각되고 레이저를 사용하여 두 가지 다른 양자 도약을 만들기 위해 여기 되었다. 연구진은 라만 분광기와 레이저 주파수 빗의 도움으로 점프가 발생한 파동 주파수를 결정했다.

이테르븀(Ytterbium;Yb)의 편차

결과 :
Aarhus 팀은 칼슘에 대한 King Plot에서 중요한 편차를 찾지 못했다.
물리학자들은 칼슘 원자가 너무 가벼워서 작은 효과를 증명할 수 없다는 사실을 배제하지 않는다. 따라서 그들은 바륨 또는 이테르븀과 같은 더 무거운 원소의 동위 원소에 더 좋은 기회가 있을 것으로 생각한다.

▲ 이테르븀; Source http://images-of-elements.com. 1878년 스위스 화학자 Jean Charles Galissard de Marignac에 의해 발견됨.

▲ 스위스 화학자 Jean Charles Galissard de Marignac

사실, 이테르븀 실험에는 이상이 있었다.
이 과정에서 동위 원소의 양자 도약이 예상되는 선형 곡선에서 벗어났기 때문이다.
"킹 플롯은 선형성의 3백만 분의 1편차를 보여준다"고 Counts와 그의 동료는 보고했다.
"이러한 비선형성은 새로운 보손 힘 전달자(boson force carrier)의 형태로 표준 모델을 넘어선 물리학을 가리킬 수 있다."

그러나 지금까지 이러한 편차의 중요성은 3시그마에 불과하다.
입자 물리학에서는 5시그마 값만 특정 발견으로 간주된다. Counts와 그의 팀은 다른 파괴적인 영향으로 인해 이러한 편차가 발생하지 않았음을 배제할 수 없다.

▲ boson이 다른 종류의 아원자 입자, hadron 및 fermions와 어떻게 어울리는지 보여준는 도표. Author : Hugo Spinelli

계속되는 사냥감

이것이 다크 보손을 찾는다는 것은 무엇을 의미할까?
새로운 결과는 이 가상 입자가 존재한다는 첫 번째 표시가 될 수 있다. 그러나 그들은 여전히 ​​증명이나 심지어는 확실한 증거와는 거리가 멀다. 두 연구팀은 이러한 동위 원소 점프의 추가 측정이 유용하고 가치가 있다는 데 동의한다.

Counts와 그의 동료들은 “앞으로 두 개의 동위 원소를 함께 측정하면 측정 정확도가 몇 배까지 증가 할 수 있다. 그러면 서로 다른 기원의 비선형성을 구별 할 수 있다”고 말했다.
(Physical Review Letters, 2020; doi : 10.1103 / PhysRevLett.125.123002; doi : 10.1103 / PhysRevLett.125.123003) 

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

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