Muon g–2: 획기적인 연구, 입자 물리학 규칙에 도전
표준 모델은 우주의 구성 요소의 동작을 예측하는 엄격한 이론입니다.
뮤온의 자기적 순간의 신비에 대한 예술가의 개념. (출처: Dani Zemba, Pennsylvania State University) 국제 실험의 새로 발표된 결과는 자연 법칙을 지배하는 새로운 물리학의 가능성을 암시한다고 과학자들은 말합니다. 연구한 실험 결과 뮤온이라는 아원자 입자 , 모든 입자 물리학의 기반이 되는 표준 모델의 예측과 일치하지 않으며, 대신 20년 전 실험에서 감지된 불일치를 재확인합니다. 즉, 우리가 알고 있는 물리학만으로는 측정된 결과를 설명할 수 없습니다. 이 연구는 Physical Review Letters 저널에 게재되었습니다.
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표준 모델이란 무엇입니까?
표준 모델은 우주의 구성 요소의 동작을 예측하는 엄격한 이론입니다. 그것은 6가지 유형의 쿼크, 6가지 경입자, 힉스 입자, 3가지 기본력, 그리고 아원자 입자가 전자기력의 영향을 받는 방식에 대한 규칙을 제시합니다.
뮤온은 경입자 중 하나입니다. 전자와 비슷하지만 200배 더 크고 훨씬 더 불안정하여 1초도 안 되는 시간 동안 생존합니다. Muon g-2(g - 2)라는 실험은 미국 에너지부의 페르미 국립 가속기 연구소(Fermilab)에서 수행되었습니다.
이 실험은 무엇에 관한 것이었습니까?
그것은 미국 에너지부 산하 브룩헤이븐 국립 연구소의 이전 실험에 이어 뮤온과 관련된 양을 측정했습니다. 2001년에 종료된 Brookhaven 실험은 표준 모델의 예측과 동일하게 일치하지 않는 결과를 도출했습니다.
Muon g–2 실험은 이 양을 더 정확하게 측정했습니다. 불일치가 지속되는지 또는 새로운 결과가 예측에 더 가까울지 여부를 알아내려고 했습니다. 결과적으로는 작지만 다시 불일치가 발생했습니다.
어떤 양이 측정되었습니까?
뮤온의 자기적 특성에서 파생된 측정값인 g-인자라고 합니다. 뮤온은 불안정하기 때문에 과학자들은 뮤온이 주변 환경에 미치는 영향을 연구합니다.
뮤온은 내부에 작은 자석이 있는 것처럼 작용합니다. 강한 자기장에서 이 자석의 방향은 마치 팽이의 축처럼 흔들립니다. 뮤온이 흔들리는 비율은 측정된 양인 g-인자로 설명됩니다. 이 값은 2에 가까운 것으로 알려져 있으므로 과학자들은 2로부터의 편차를 측정합니다. 따라서 이름 g-2입니다.
g-인자는 표준 모델을 사용하여 정확하게 계산할 수 있습니다. g-2 실험에서 과학자들은 고정밀 기기로 이를 측정했습니다. 그들은 뮤온을 생성하고 큰 자석에서 순환하게 했습니다. 뮤온은 또한 Fermilab이 설명했듯이 존재하거나 존재하지 않는 아원자 입자의 양자 거품과 상호 작용합니다. 이러한 상호 작용은 g-인자 값에 영향을 미치므로 뮤온이 약간 더 빠르거나 약간 느리게 흔들립니다. 이 편차가 얼마나 될 것인지(이것을 변칙적 자기 모멘트라고 함)도 표준 모델로 계산할 수 있습니다. 그러나 양자 거품이 표준 모델에 의해 설명되지 않는 추가적인 힘이나 입자를 포함한다면, 그것은 g-인자를 더 조정하게 될 것입니다.
어떤 결과가 나왔습니까?
결과는 표준 모델 예측과 다르지만 Brookhaven 결과와 크게 일치한다고 Fermilab은 말했습니다.
뮤온에 대해 허용되는 이론적 값은 다음과 같습니다.
g 계수: 2.00233183620
변칙적 자기 모멘트: 0.00116591810
수요일에 발표된 새로운 실험 결과(Brookhaven 및 Fermilab 결과에서 결합)는 다음과 같습니다.
g 계수: 2.00233184122
변칙적 자기 모멘트: 0.00116592061.
이것은 무엇을 의미 하는가?
Brookhaven과 현재 Fermilab의 결과는 뮤온과 자기장 사이에 알려지지 않은 상호작용의 존재를 암시합니다. 상호작용은 새로운 입자나 힘을 수반할 수 있습니다. 그러나 이것이 새로운 물리학의 길을 여는 마지막 말이 아닙니다.
발견을 주장하기 위해 과학자들은 표준 모델에서 5 표준 편차만큼 발산하는 결과를 요구합니다. Fermilab과 Brookhaven의 결합된 결과는 4.2 표준 편차만큼 발산합니다. 이것으로 충분하지 않을 수도 있지만, 우연일 가능성은 매우 낮습니다. 미국 에너지부 산하 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory)는 보도 자료에서 그 확률이 약 40,000분의 1이라고 밝혔습니다.
이것은 뮤온이 우리의 최선의 이론이 아닌 것에 민감하다는 강력한 증거라고 켄터키 대학의 물리학자이자 Muon g-2 실험의 시뮬레이션 관리자인 Renee Fatemi는 Fermilab이 발표한 성명에서 말했습니다.
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