지식보관소_ 얼마전 물리학계에 큰 파장을 불러온 새로운 입자의 증거발견 소식

 

 

얼마 전 한국 연구진이 포함이 된 7개국으로 구성이 된 국제공동연구팀은

현대의 표준 모형으로 설명할 수가 없는

새로운 입자가 존재할 가능성을 확인했습니다.

 

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다들 아시다시피 현대 물리학의 표준 모형에 의하면

우주는 총 16개의 소립자들과

이 소립자들의 질량을 부여해 주는 신의 입자, 힉스 입자까지 해서

총 17개의 입자들로 이루어져 있습니다.

여기에 광자나 Bosons들과 글루온같이

우주에 존재하는 4대 힘을 매개해 주는 입자를

Gauge Bosons이라고 부르고

나머지 12개의 쿼크들과 전자류들을 페르미온 입자라고 부르죠.

 

 

아니 왜 다 알고 있는 상식적인 얘기로 영상을 시작하나 싶겠지만

중요한 것은 인류가 우주를 구성하고 있는 입자들을

이렇게까지 구체적으로 파악을 했다는 것입니다.

 

우리가 알고 있고 감지할 수가 있는 모든 물질과 에너지는

전적으로 이 17개의 입자에 의해서 생기게 된 것이며

각양각색인 서로 전혀 다른 성질인 물질로 보이는 것들도

전부 다 이 17개 입자들의 조합들로 이루어져 있습니다.

 

아니 실제로 대부분은

두 개의 쿼크와 전자와 광자 정도로 구성이 되며

2개의 쿼크가 어떻게 결합하냐에 따라서

양성자와 중성자가 되고

이들 개수에 따라서 원소들과 동위원소들이 되게 됩니다.

 

심지어 초끈이론 관점에서는

16개의 소립자가 생기는 원인이

1차원 끈의 움직임에 의해서 결정이 된다고 하니

끈이 진동하냐 진동하지 않느냐 하는 이진법 같은 시스템으로

우리의 우주가 구성이 되어 있다고 말할 수도 있습니다.

 

우리는 입자 가속기를 통해서

입자를 광속에 가까운 속도로 부딪히고 쪼개봄으로 인해서

원자를 구성한 소립자들을 일일이 확인했고

현재와 같은 결과를 얻었습니다.

 

소립자들이 왜 17개인지에 대한 근본적인 이유 같은 것들은 변하게 될지도 모르지만

입자가속기 실험으로 인해서 얻어진 결과이기 때문에

우주는 17개의 표준모형 입자들로 이루어져 있다는 것은

변하지 않을 사실로 생각이 되어 왔죠.

뭐 지금까지는 말이죠.

 

 

얼마 전 한국 연구진이 포함이 된 7개국으로 구성이 된

국제공동연구팀은

현대의 표준모형으로 설명할 수가 없는

새로운 입자가 존재할 가능성을 확인했습니다.

 

연구팀은 미국 페르미국립연구소에 설치가 된 입자 가속기를 이용해서

뮤온입자를 추적을 했는데요

놀랍게도 이때 뮤온입자가 자기장에 있을 때의 움직임이

표준모형에 의해서 이론적으로 제시된 계산값과 달랐다는 것입니다.

 

우리가 이렇게 눈으로 볼 수가 없는 소립자들을 발견하는 방법은

조금 특이합니다.

예를 들어서

상자 안에 뭐가 들어있는지 확인을 하고 싶다면

상자를 뿌셔보면 알 수가 있는데요.

 

마찬가지로 과학자들은 원자들을

거의 광속에 가까운 속도로 가속시켜서 서로 부딪히게 함으로써

박살 난 원자들을 파편을 통해서 알 수가 있습니다.

 

‘아니 선생님 그냥 볼 수 있는 방법은 없나요?’ 라고 물어볼 수도 있는데

소립자들은 광자보다도 훨씬 더 작기 때문에

우리가 무언가를 본다는 것은

광자를 부딪혀서 되돌아온 광자를 보는 것이기 때문에

이는 결국 불가능합니다.

 

 

이번 실험에서 입자 충돌로 발생한 뮤온 입자가

자기장의 반응에서 흔들리는 정도가

이론적인 값과 0.1%의 오차를 보였고

이에 대해 이 오차가 우리가 알지 못했던

새로운 입장일 가능성을 토론을 하기 위해서

긴급회의까지 소집이 되었습니다.

 

올해 2월 25일에 있었던 회의에서

무려 신뢰도 99.998%에 가까운 확률로

새로운 입자가 있을 것으로 추정이 되었습니다.

 

사실 99.998%의 신뢰도면

새로운 입자를 발견했다고 말할 수도 있을 것 같지만

과학계에서는 신뢰도 수준 5시그마

즉 99.999994%의 신뢰도가 나오게 돼야지만

발견되었다고 인정이 되기 때문에

아직까지는 발견으로 인정이 되지는 않았습니다.

 

하지만 표준모형에 새로운 입자가 추가가 될 가능성이 99.998%면

굉장히 높은 가능성으로

굉장히 엄청난 일이기 때문에

이번 연구 내용은 PHYSICAL REVIEW LETTERS 메인에 실리게 되었습니다.

 

물론 이번에 새로운 입자가 있을 가능성은

측정의 오차일 수도 있었지만

정밀한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해서

이론적인 궤적과 예상 경로를 분석해서 확인하면서

실험의 정확도를 높인 결과

99.998%의 확률로 추가로 가상의 입자가 존재한다고 보았던 것이죠.

 

참고로 이번 실험은 뮤온 G-2 실험이라고 불리는데

지금까지 분석이 된 데이터는

이 실험으로 분석이 될 전체 데이터의 고작 6%에 불과하다는 것입니다.

 

만약 이후에 실험에서

더 새로운 사실을 알아가고

추후에 이 가상의 입자가 실제로 발견이 된다면

표준모형에 새로운 입자가 추가가 될지도 모릅니다.

 

이는 과학계에서 아직 밝혀내지 못했던 사실을

밝혀내는 열쇠가 될지도 모르죠.

그럼, 이로 인해서 어떤 새로운 것들이 더 발견이 되게 될지

정말로 기대가 되네요.

그럼 이만.