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새로운 입자 발견할까···물리학 표준모형 바꿀 연구에 과학계 주목

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기초과학연구원 포함 국제 연구진 공동연구

추가 입자 또는 힘의 존재 가능성 커져

이명재 연구위원 "표준모형 바꿀 이유 찾아"

[이데일리 강민구 기자] 모든 물질 세계를 설명하는 물리학의 표준모형을 바꿀 실험 결과가 나와 과학계가 주목하고 있다. 이를 통해 새로운 입자나 힘을 찾을 가능성이 커졌다.

기초과학연구원(IBS)은 야니스 세메르치디스 액시온극한상호작용 연구단장 연구팀이 국제 공동 연구에 참여해 뮤온 흔들림을 측정해 발표했다고 8일 밝혔다. 이번 실험에서 IBS 연구팀은 뮤온 저장 고리 내 자기장을 균일하게 유지하고, 뮤온 궤도 진동 효과를 줄이는 데 기여했다. 이명재 기초과학연구원 연구위원은 “표준모형을 바꿀 수밖에 없는 이유를 찾아낸 것”이라며 “그동안 표준모형의 17개 입자로 모든 물질세계를 설명할 수 있었는데 새로운 입자가 있어야 한다는 것을 입증했다”고 설명했다.

이날 미국 페르미 연구소는 국제 공동 연구 ‘뮤온 g-2’ 실험의 첫 결과를 발표했다. 뮤온은 전자의 무거운 형제 격으로, 고에너지 입자들이 충돌할 때 발생한다. 연구팀은 뮤온이 현대 물리학의 예측과 다르게 행동한다는 사실을 신뢰도 4.2 시그마로 입증했다. 일반적으로 실험의 신뢰도가 3 시그마(99.7%)이면 ‘힌트’의 범주에 속하고, 5 시그마(99.99994%) 이상이면 ‘발견’으로 인정된다. 4.2 시그마는 과학적 발견 기준인 5 시그마에는 못 미치지만, 후속 실험을 통해 과학적 발견에 가까워질 수 있다는 것을 의미한다.
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뮤온 g-2 실험의 핵심 장치인 뮤온 저장 고리.(자료=기초과학연구원)

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표준모형은 쿼크 6개와 렙톤(경입자) 6개, 이들을 매개하는 입자 4개 등 16개의 기본입자와 이들에 질량을 부여하는 힉스까지 총 17개의 입자로 구성된다. 이번에 실험한 뮤온은 렙톤에 속한다.

강력한 자기장에서 뮤온의 자석 축이 팽이처럼 흔들리고, 흔들림이 g 값으로 표현된다. 뮤온은 진공에서 나타났다 사라지는 가상입자들과 상호작용한다. g 값도 영향을 받기 때문에 과학자들은 표준모형을 이용해 정확하게 계산한다. 진공에 우리가 모르는 입자나 힘이 있다면 값이 예측과 달라진다.

연구팀은 뮤온 g-2 실험을 첫 1년 간 운행한 데이터를 분석해 뮤온 g 값을 2.00233184122으로 새로 제시했다. 표준모형으로 계산한 이론값인 2.00233183620와 차이가 있다.

앞서 1997년부터 2001년까지 진행된 브룩헤이븐 연구소 실험에서 신뢰도 3.7 시그마로 제공한 힌트를 1년 만에 더 높은 신뢰도로 확인했다. 현재 2,3차 데이터를 분석중이며, 4차 실험이 이뤄지고 있다. 이명재 연구위원은 “2,34차를 통해 실험 오차를 줄여 표준모형 이후 새로운 물리 이론을 세웠으면 한다”며 “뮤온 입자를 이용한 실험이 국내에서 건설중인 중이온가속기에서도 가능하기 때문에 국내 학회와 정부에서도 많은 관심과 지원이 있었으면 한다”고 말했다.

야니스 세메르치디스 단장은 “뮤온이 표준모형에 없는 입자 혹은 힘과 민감하게 상호작용한다는 강력한 증거”라며 “지금까지 분석한 데이터는 뮤온 g-2 실험이 모을 데이터의 6%에 불과하다”고 설명했다. 야니스 단장은 “첫 실험 결과부터 표준모형과의 차이를 보여줬으며, 몇 년 간 더 많은 것을 알게 될 것”이라고 말했다.

연구 결과는 한국 시각으로 8일 0시에 발표됐으며, 국제 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 게재됐다.

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