뮤온(muon): 표준모델과의 편차 확인 (영상)
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2023-08-13 12:42:30
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- 2021년 초에 뮤온이 자기장에서 예상과 다르게 행동한다는 최초의 징후가 있었다.
- 소립자의 이상(異狀) 자기모멘트는 표준모형에 기초한 이론값에서 벗어나
- 미국 페르미국립가속기연구소(Fermilab)의 muon-g 실험의 목적: 뮤온 빔은 14m 가속기 링에서 거의 빛의 속도로 가속되고 변화하는 자기장에 노출된다.
- "추가 입자 또는 숨겨진 아원자력이 존재할 수 있다."
뮤온은 전자의 "무거운 형제"이며 특히 물리학자들에게 흥미로운 입자다. 자기장에서의 거동이 아직 입자물리학의 표준 모델에 포함되지 않은 입자나 힘이 있는지를 밝힐 수 있기 때문이다. 2021년 초 미국의 muon-g-2 실험은 이론에서 벗어난 최초의 징후를 제공했다. 그러나 4.2 시그마의 중요성은 발견에 충분하지 않았으며 측정 데이터의 6%만 평가되었기 때문에 측정 불확실성이 여전히 460ppb로 너무 높았다.
가상 입자로 "춤“
이제 muon g-2 협업의 물리학자들이 후속 조치를 취했다. 그들은 이제 실험에서 측정된 데이터의 약 절반을 평가하여 측정 정확도와 신뢰성을 크게 높였다. 측정은 뮤온의 자기 모멘트를 기반으로 한다. 입자의 이 "내부 자기 나침반"은 축의 흔들림과 함께 외부 자기장에 반응한다. g-인자라고도 하는 이 세차운동은 뮤온의 전하, 질량 및 스핀의 영향을 받으며 다른 영향이 없다면 약 2여야 한다.
그러나 뮤온은 양자 요동과 상호 작용하여 가상 입자 쌍이 끊임없이 갑자기 나타나고 다시 사라진다. 아원자 "댄스 파트너"와 마찬가지로 이러한 가상 입자는 뮤온을 포착해 자기 모멘트를 변경한다. 이러한 아원자 "댄스 파트너"의 미묘한 영향은 뮤온의 자기 모멘트가 항상 g = 2에서 약간 벗어난다는 것을 의미한다.
가속기 링에서 텀블링하는 뮤온
뮤온의 이 비정상적인 자기 모멘트의 크기는 표준 물리적 모델을 사용하여 계산할 수 있다. 이에 따르면 이론이 정확하고 완전하다면 자기 모멘트는 2에서 약 0.1% 정도 벗어나야 한다. 이를 확인하는 것이 미국 페르미국립가속기연구소(Fermilab)의 muon-g 실험의 목적이다. 거기에서 뮤온 빔은 14m 가속기 링에서 거의 빛의 속도로 가속되고 변화하는 자기장에 노출된다.
고리에 있는 감지기의 도움으로 물리학자들은 이러한 자기장이 뮤온의 자기 모멘트의 세차를 어떻게 변화시키는지 측정한다. 이러한 "나침반 바늘"의 움직임과 외부 자기장의 강도를 더 정확하게 측정할수록 더 정밀한 측정이 가능하다. 물리학자들은 이제 측정했던 처음 3년을 평가했다. 이는 400억 뮤온 이상의 데이터에 해당한다.
불일치 확인됨
결과:
뮤온의 비정상적인 자기 모멘트 값은 g-2 = 0.00233184110 ± 0.00000000043(stat.) ± 0.00000000019(syst.)입니다. 이것은 뮤온이 실제로 표준 모델에 기초하여 예상되는 것과 약간 다르게 행동한다는 것을 확인시켜준다. “새로운 수치는 우리가 2021년 4월에 발표한 첫 번째 결과를 뒷받침한다. 분석에 참여한 마인츠 대학의 물리학자 마틴 퍼틀(Martin Fertl)은 "이론과 실험 사이의 궁극적인 대결에 입자물리학을 더 가깝게 가져왔다"고 말했다.
동시에 이 값은 측정 불확실성을 약 절반으로 줄였다. 지금은 약 2천억분의 1에 불과하다. Fermilab의 Brendan Casey는 "우리는 이전보다 더 정확하게 뮤온의 자기 모멘트를 결정했다"고 말했다. "우리는 이것으로 새로운 영역을 개척하고 있다." 체계적 불확실성은 이미 목표치 아래에 있지만 통계적 불확실성은 분석된 데이터의 양에 따라 결정된다. 따라서 물리학자들이 6년 동안 실험을 통해 수집한 모든 데이터를 평가한 후에는 계속해서 불확실성은 낮아질 것이다.
흥미진진하게 남아
muon-2-g 협업의 목표는 2025년까지 분석을 완료하는 것이다. 동시에 이론 물리학자들은 "Myon g-2 Theory Initiative"의 일환으로 표준 모델을 기반으로 한 계산을 더욱 개선하기를 원한다. 이론적 값에도 불일치가 있기 때문이다. 격자 게이지 이론을 사용하여 최근에 결정된 값은 일반적인 방법을 사용하여 2020년에 설정된 이론값에서 벗어나 실험 결과에 더 잘 맞는 것으로 보인다. 따라서 "Myon g-2 Theory Initiative"는 두 이론적 접근 방식을 모두 고려하여 향후 몇 년 동안 새롭고 개선된 예측을 생성하기 위해 노력하고 있다.
- 2021년 초에 뮤온이 자기장에서 예상과 다르게 행동한다는 최초의 징후가 있었다.
- 소립자의 이상(異狀) 자기모멘트는 표준모형에 기초한 이론값에서 벗어나
- 미국 페르미국립가속기연구소(Fermilab)의 muon-g 실험의 목적: 뮤온 빔은 14m 가속기 링에서 거의 빛의 속도로 가속되고 변화하는 자기장에 노출된다.
- "추가 입자 또는 숨겨진 아원자력이 존재할 수 있다."
뮤온: 표준모델과의 편차 확인
비정상적인 자기 모멘트에 대한 새로운 수치는 '새로운 물리학'의 증거를 강화한다.
흥미로운 불일치: 2021년 초에 뮤온이 자기장에서 예상과 다르게 행동한다는 최초의 징후가 있었다. 이 소립자의 이상(異狀) 자기모멘트는 표준모형에 기초한 이론값에서 벗어났다. muon g-2 실험의 물리학자들은 이제 추가 측정을 평가하고 이 편차를 확인했다. 측정 정확도가 더 높아도 불일치가 유지된다. 이것은 아직 알려지지 않은 입자나 힘의 형태로 "새로운 물리학"을 나타내거나 이론적 계산의 오류를 나타낼 수 있다.
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| ▲ 뮤온은 뮤온 g-2 실험에서 측정한 바와 같이 이론이 예측한 것과는 다르게 외부 자기장에 반응한다. © Cindy Arnold/ Fermilab |
뮤온은 전자의 "무거운 형제"이며 특히 물리학자들에게 흥미로운 입자다. 자기장에서의 거동이 아직 입자물리학의 표준 모델에 포함되지 않은 입자나 힘이 있는지를 밝힐 수 있기 때문이다. 2021년 초 미국의 muon-g-2 실험은 이론에서 벗어난 최초의 징후를 제공했다. 그러나 4.2 시그마의 중요성은 발견에 충분하지 않았으며 측정 데이터의 6%만 평가되었기 때문에 측정 불확실성이 여전히 460ppb로 너무 높았다.
가상 입자로 "춤“
이제 muon g-2 협업의 물리학자들이 후속 조치를 취했다. 그들은 이제 실험에서 측정된 데이터의 약 절반을 평가하여 측정 정확도와 신뢰성을 크게 높였다. 측정은 뮤온의 자기 모멘트를 기반으로 한다. 입자의 이 "내부 자기 나침반"은 축의 흔들림과 함께 외부 자기장에 반응한다. g-인자라고도 하는 이 세차운동은 뮤온의 전하, 질량 및 스핀의 영향을 받으며 다른 영향이 없다면 약 2여야 한다.
그러나 뮤온은 양자 요동과 상호 작용하여 가상 입자 쌍이 끊임없이 갑자기 나타나고 다시 사라진다. 아원자 "댄스 파트너"와 마찬가지로 이러한 가상 입자는 뮤온을 포착해 자기 모멘트를 변경한다. 이러한 아원자 "댄스 파트너"의 미묘한 영향은 뮤온의 자기 모멘트가 항상 g = 2에서 약간 벗어난다는 것을 의미한다.
가속기 링에서 텀블링하는 뮤온
뮤온의 이 비정상적인 자기 모멘트의 크기는 표준 물리적 모델을 사용하여 계산할 수 있다. 이에 따르면 이론이 정확하고 완전하다면 자기 모멘트는 2에서 약 0.1% 정도 벗어나야 한다. 이를 확인하는 것이 미국 페르미국립가속기연구소(Fermilab)의 muon-g 실험의 목적이다. 거기에서 뮤온 빔은 14m 가속기 링에서 거의 빛의 속도로 가속되고 변화하는 자기장에 노출된다.
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| ▲ Fermilab에서 뮤온 g-2 실험의 가속기 링 보기. © Ryan Postel/ Fermilab |
고리에 있는 감지기의 도움으로 물리학자들은 이러한 자기장이 뮤온의 자기 모멘트의 세차를 어떻게 변화시키는지 측정한다. 이러한 "나침반 바늘"의 움직임과 외부 자기장의 강도를 더 정확하게 측정할수록 더 정밀한 측정이 가능하다. 물리학자들은 이제 측정했던 처음 3년을 평가했다. 이는 400억 뮤온 이상의 데이터에 해당한다.
불일치 확인됨
결과:
뮤온의 비정상적인 자기 모멘트 값은 g-2 = 0.00233184110 ± 0.00000000043(stat.) ± 0.00000000019(syst.)입니다. 이것은 뮤온이 실제로 표준 모델에 기초하여 예상되는 것과 약간 다르게 행동한다는 것을 확인시켜준다. “새로운 수치는 우리가 2021년 4월에 발표한 첫 번째 결과를 뒷받침한다. 분석에 참여한 마인츠 대학의 물리학자 마틴 퍼틀(Martin Fertl)은 "이론과 실험 사이의 궁극적인 대결에 입자물리학을 더 가깝게 가져왔다"고 말했다.
동시에 이 값은 측정 불확실성을 약 절반으로 줄였다. 지금은 약 2천억분의 1에 불과하다. Fermilab의 Brendan Casey는 "우리는 이전보다 더 정확하게 뮤온의 자기 모멘트를 결정했다"고 말했다. "우리는 이것으로 새로운 영역을 개척하고 있다." 체계적 불확실성은 이미 목표치 아래에 있지만 통계적 불확실성은 분석된 데이터의 양에 따라 결정된다. 따라서 물리학자들이 6년 동안 실험을 통해 수집한 모든 데이터를 평가한 후에는 계속해서 불확실성은 낮아질 것이다.
흥미진진하게 남아
muon-2-g 협업의 목표는 2025년까지 분석을 완료하는 것이다. 동시에 이론 물리학자들은 "Myon g-2 Theory Initiative"의 일환으로 표준 모델을 기반으로 한 계산을 더욱 개선하기를 원한다. 이론적 값에도 불일치가 있기 때문이다. 격자 게이지 이론을 사용하여 최근에 결정된 값은 일반적인 방법을 사용하여 2020년에 설정된 이론값에서 벗어나 실험 결과에 더 잘 맞는 것으로 보인다. 따라서 "Myon g-2 Theory Initiative"는 두 이론적 접근 방식을 모두 고려하여 향후 몇 년 동안 새롭고 개선된 예측을 생성하기 위해 노력하고 있다.
<뮤온 측정이 새로운 물리학에 대해 밝히는 것. © 페르미 국립 가속기 연구소>
“많은 이유로 우리는 물리학에 대한 현재의 이해가 불완전하다고 확신한다. 추가 입자 또는 숨겨진 아원자력이 존재할 수 있다”고 마인츠(Mainz) 대학의 도미닉 스퇴킹어(Dominik Stöckinger)는 말했다. 그러나 기존 모델의 이론적 측면도 이전에 생각했던 것보다 잘 이해되지 않았을 수 있다.
(Physical Review Letters, accepted)
출처: Muon g-2 Collaboration, Fermi National Accelerator Laboratory, Technical University of Dresden, Johannes Gutenberg University of Mainz
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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