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입자물리학 '표준모형' 입지가 흔들린다

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입자물리학 '표준모형' 입지가 흔들린다

2001.05.11 11:58
"아름다움이 첫 번째 관건이다. 이 세상에 추한 수학을 위한 자리는 없다." 20세기 초 영국의 수학을 세계적인 수준으로 끌어올린 순수 수학자 고트프리 하디의 말이다. 아름다움 우아함 명쾌함. 순수 수학자들만큼이나 이론 물리학자들도 자연을 설명하는 수식을 만들 때 가장 중요하게 생각하는 부분이다. 그래서였을까? 물리학자들은 30여 년 동안 입자 물리학에서 확고하게 자리잡고 있는 표준모형을 늘 불만스러워 했다. 대단히 정교한 이론이지만 물리학자들이 기대하는 아름다움이 느껴지지 않기 때문이다. 그동안 물리학자들은 표준모형을 반박하는 실험 결과를 얻으려고 노력해 왔지만 번번이 실패했다. 그러던 중 최근 표준이론으로는 설명할 수 없는 전혀 새로운 입자의 존재가 간접적으로 확인돼 많은 물리학자들이 술렁이고 있다. 미국 브룩헤이븐 국립 연구소는 미국 러시아 일본 독일의 11개 연구소와 공동으로 입자 물리학의 표준모형과 정면으로 대치되는 실험적 결과를 얻었다고 저명한 물리학술지인 '피지컬 리뷰 레터스' 12일자에 발표했다. 40여년 물리학계 지배 연구자들은 표준모형을 이루는 6개 경입자 중 하나인 뮤온(μ)을 써서 이와 같은 결과를 얻었다. 뮤온은 전자와 성질이 비슷하나 질량이 무거운 입자이다. 연구자들은 양성자로부터 파이온을 거쳐 뮤온을 만든 뒤 일정한 자기장이 걸려 있는 지름 14m의 뮤온 저장링으로 쏘아 보냈다. 뮤온은 링을 돌다가 전자와 뉴트리노로 붕괴되는데 연구자들은 이때 나오는 전자를 관찰해 붕괴 당시 뮤온의 정보를 얻었다. 링속은 진공이지만 양자이론에 따르면 순간적으로 입자들이 생기고 소멸한다. 뮤온은 팽이가 도는 것처럼 특정한 방향성이 있는 '스핀'값을 갖는데 링을 통과할 때 이 값이 입자들과 부딪혀 영향을 받게 된다. 표준모델은 이런 충돌이 일어날 때 뮤온이 받는 영향을 1천만 분의 6의 정확도로 계산할 수 있다. 세계 최대 초전도 자석 활용 연구자들은 뮤온의 스핀을 정확히 측정하기 위해 에너지가 높은 뮤온을 얻을 수 있는 세계 최대 규모의 초전도 자석과 정확도와 민감도가 아주 높은 검출기를 만들었다. 연구자들은 1997년부터 무려 10억 회 이상의 뮤온 붕괴 자료를 얻어 분석한 결과 마침내 뮤온의 스핀값의 변화가 표준모형의 예측 범위를 벗어나 있다는 사실을 밝혀 냈다. 이것은 뮤온이 저장링을 돌 때 표준모형이 예측하지 못한 입자가 존재함을 의미한다. 실험결과 99%이상 확실 공동연구팀의 대변인인 미국 보스턴대 물리학자 리 로버트 교수는 "이번 실험결과는 99% 이상 확실하다"며 "새로운 발견은 표준모형을 확장한 초대칭이론 같은 새로운 이론 연구에 불을 당길 것"이라 말했다. 이를 증명이라도 하듯이 정식으로 논문이 발표되기 전부터 서울대 물리학과 김진의 교수팀과 송희성 교수팀 등 전 세계 30여 곳의 물리학자들이 이 논문을 인용한 논문들을 발표하고 있다. 1960년대 설립된 표준모형은 1940년대와 1950년대 발견된 수많은 소립자를 설명할 수 있는 이론으로 지금까지 알려진 4가지 힘 중 중력을 제외한 나머지 힘들인 전자기력 강력 약력을 통합해 설명할 수 있는 강력한 이론이다. 초대칭이론 등 힘얻어

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