새로운 기본입자 존재 가능성을 밝히다- IBS 액시온 및 극한상호작용 연구단 등 국제 공동 연구진, 뮤온 g-2 실험 첫 결과 발표

새로운 기본입자 존재 가능성을 밝히다- IBS 액시온 및 극한상호작용 연구단 등 국제 공동 연구진, 뮤온 g-2 실험 첫 결과 발표

보도일 2021-04-08 09:05연구단명 액시온 및 극한상호작용 연구단

 

 

 

새로운 기본입자 존재 가능성을 밝히다

- IBS 액시온 및 극한상호작용 연구단 등 국제 공동 연구진, 뮤온 g-2 실험 첫 결과 발표 - 

 

현재까지 확인된 기본입자 외에 추가 입자 혹은 힘의 존재 가능성이 커졌다. 미 페르미 연구소는 국제 공동 연구 ‘뮤온 뮤온 : 전자의 무거운 형제 격으로, 고에너지 입자들이 충돌할 때 발생한다. 약 2 마이크로 초의 수명을 가진다.

 g-2’실험의 첫 결과를 4월 8일(한국 시각) 발표했다. 연구진은 뮤온이 현대물리학의 예측과 다르게 행동함을 신뢰도 4.2 시그마 일반적으로 어떤 실험의 신뢰도가 3 시그마(99.7%)면 ‘힌트’의 범주에 들어가고, 5 시그마(99.99994%) 이상이면 ‘발견’으로 인정된다.

로 입증했다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 액시온 및 극한상호작용 연구단 야니스 세메르치디스 단장과 연구진 등 8명은 페르미 연구소를 비롯한 공동 연구진과 함께 뮤온 흔들림을 측정해 발표했다. 이는 수십 년 간 미제로 남아있던 이론과 실험의 불일치를 확인한 것으로, 새로운 물리학을 개척할 단서가 될 것으로 기대된다.

현대물리학의 정수인 표준모형은 아원자 아원자 : 중성자, 양성자, 전자처럼 원자보다 작은 입자를 가리킨다.

 세계를 가장 잘 설명하는 이론이다. 우주를 이루는 쿼크, 전자, 뮤온, 중성미자 등의 기본입자와 중력을 제외한 세 가지 힘 자연계에는 중력, 전자기력, 강력, 약력 총 4가지 힘이 존재하는 것으로 알려져 있다.

, 그리고 이들 사이의 상호작용을 서술하고 있다. 

뮤온은 이러한 아원자 세계를 비추는 거울처럼 작용한다. 강력한 자기장 하에서는 뮤온의 자석 축이 팽이처럼 흔들리고, 이 흔들림은 g 값으로 표현된다. 뮤온은 진공 진공은 아무것도 없는 공간이 아닌, 나타났다 사라지는 무수한 가상 입자들로 채워져 있다. 이를 양자 진공 혹은 양자 거품이라고 한다.

에서 나타났다 사라지는 무수한 가상입자들과 상호작용하므로, g 값도 그 영향을 받는다. 과학자들은 표준모형을 이용해 이 g 값을 매우 정확하게 계산할 수 있다. 만약 진공에 우리가 모르는 입자나 힘이 있다면, g 값은 예측과 달라진다.

이번 결과는 뮤온 g-2 실험을 첫 1년 간 운행한 데이터를 분석한 결과로, 뮤온 g 값을 2.00233184122로 새로 제시했다. 표준모형으로 계산한 이론값은 2.00233183620 이다.

이번 실험의 신뢰도인 4.2 시그마는 과학적 발견 기준인 5 시그마에는 못 미치지만, 여전히 강력한 증거이다. 이번 결과가 통계적 오차로부터 기인했을 확률은 4만 분의 1이다. 이는 선행 실험인 브룩헤이븐 연구소 실험(1997~2001)이 신뢰도 3.7 시그마로 제공한 힌트를 1년 만에 더 높은 신뢰도로 확인한 것이다. 현재 뮤온 g-2 실험의 2차와 3차 데이터를 분석 중이며, 4차 실험이 진행 중이다. 

IBS 연구진은 이번 실험에서 뮤온 저장 고리 내 자기장을 균일하게 유지하고, 뮤온 궤도 진동 효과를 줄이는 데 기여했다. 실험의 의사 결정 기구인 기관 위원회(Institutional board)의 야니스 세메르치디스 단장은 “이번 결과는 뮤온이 표준모형에 없는 입자 혹은 힘과 민감하게 상호작용한다는 강력한 증거”라고 밝혔다. 또 “지금까지 분석한 데이터는 뮤온 g-2 실험이 궁극적으로 모을 데이터의 6%에 지나지 않는다”며 “첫 번째 실험 결과부터 표준모형과의 흥미로운 차이를 보여줬으며, 향후 몇 년 간 더 많은 것을 알게 될 것”이라고 말했다.

이번 결과는 한국 시각으로 4월 8일 0시에 발표 되었으며, 국제 학술지 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters, IF=8.385) 誌에 같은 날 게재되었다.

 

그   림   설   명

 

 

 

 

[그림 1] 뮤온 g-2 실험의 핵심 장치인 뮤온 저장 고리

뮤온 저장 고리가 검출기와 뮤온 빔라인, 여타 장비들에 둘러싸여 있다. 저장 고리 내부는 섭씨 –267도로 유지되며, 고리 안의 자기장은 극도로 균일하게 유지된다. 뮤온은 뮤온 저장 고리 안에서 빛의 속도에 가깝게 저장된다.

 

[그림 2] 페르미 연구소 뮤온 생성 과정

붉은 색 고리에서 생성된 양성자는 뮤온 g-2 타겟 스테이션으로 보내져 뮤온을 생산한다. 생성된 뮤온은 이후 주황색 선을 따라 뮤온 저장 고리가 위치한 MC1 동으로 보내진다. (Mu2e 동은 다른 실험을 위한 건물이다)

 

 

[그림 3] 브룩헤이븐 국립연구소에서 페르미 연구소로 이동하는 뮤온 저장 고리

뮤온 g-2 실험의 핵심 장치인 뮤온 저장 고리는 선행 실험인 브룩헤이븐 연구소 실험(1997~2001)에서 사용한 것을 옮겨 왔다. 이 5천 km 거리의 대이동은 2013년에 이뤄졌으며, 코일 모양을 1/4인치 이내, 평탄도를 1/10인치 이내로 유지하며 이동에 한 달 가량 소요됐다.

 

연구진 이력사항

 

<야니스 세메르치디스 액시온 및 극한상호작용 연구단장>

1. 인적사항

 ○ 소  속 : 기초과학연구원(IBS) 액시온 및 극한상호작용 연구단  KAIST 물리학과

 

 

 

2. 경력사항

 1990 - 1992 미국 로체스터 대학교, 연구원 (물리학)

 1992 - 1995 미국 브룩헤이븐 국립연구소(BNL), Assistant 물리학자 

 1993 - 1995 스위스 유럽 입자 물리 연구소 (CERN), 연구위원 

 1995 – 1997      미국 브룩헤이븐 국립연구소(BNL), Associate 물리학자

 1997 - 2000 미국 브룩헤이븐 국립연구소(BNL), 물리학자 

 2000 - 2013 미국 브룩헤이븐 국립연구소(BNL), 종신연구원

 2013 - 현재 KAIST 물리학과, 교수

 2013 - 현재 IBS 액시온 및 극한상호작용 연구단 단장

 

3. 전문 분야 정보 

 

 1992 – 2008   뮤온(Muon) g-2 공동연구, 참여 연구원

 2002 – 2005   뮤온(Muon)에서 전자(Electron) 변환 실험 연구, 페르미             연구소 (Muon g-2) 실험 초석 마련

 2003 – 현재    양자 전기 쌍극자 모멘트(EDM), 실험 대표 연구자 (실험 대변인)

 2003 – 현재    Lepton Moments에 관한 국제심포지엄 과학자문위원회 위원  

 2002          스위스 입자 물리 연구소 (CERN), 초빙 연구원

 2003    미국 브룩헤이븐 국립연구소, 올해의 과학자상 

 2005     미국 물리학회, 정회원 

 

 

뮤온 g-2 실험 설명자료

 

IBS 커뮤니케이션팀 (‘21.03.10.)

◈ (구성) 미 페르미 연구소에 위치하며 전 세계 7개국 35개 연구기관, 190명 참여

◈ (목적) 자기장 하에서 뮤온의 흔들림(g-2)값을 측정함으로써 새로운 기본입자의 존재 가능성 탐색

□ 실험 개요

ㅇ 아원자*인 뮤온**의 자기적 특성을 관측하기 위해 설계된 실험

* 원자보다 작은 기본입자. 전자, 중성자, 양성자, 중성미자 등이 있다

** 전자의 무거운 형제 격으로, 약 2 마이크로초의 수명을 가진다. 고에너지 입자들이 충돌할 때 발생하며, 이후 전자와 두 개의 중성미자로 붕괴한다

- 자기장 하에서 뮤온의 흔들림 값이 이론값과 일치하는지 조사

- 실험에서 이론과 다른 흔들림 값이 관찰된다면 현재 물리학의 이해가 불완전하다는 것을 의미하며, 추가 입자 또는 숨겨진 아원자력이 있음을 가리킴

ㅇ 미 브룩헤이븐 국립연구소의 이전 실험(1997~2001년)에서 신뢰도 3.7 시그마*로 흔들림 값의 이론과 측정 불일치를 관찰하고, 이를 더욱 정밀하게 실험하기 위해 페르미 연구소에서 2018년 관측 시작

* 일반적으로 어떤 실험의 신뢰도가 3 시그마(99.7%)면 ‘힌트’의 범주에 들어가고, 5 시그마(99.99994%) 이상이면 ‘발견’으로 인정됨

□ 실험 원리

ㅇ 진공의 가상입자로 인해 발생하는 뮤온 g-2 값은 표준모형*에 따라 이론적으로 매우 정확하게 계산할 수 있음

* 자연계를 이루는 기본입자와, 중력을 제외한 상호작용을 설명하는 이론.

- 뮤온은 전자와 마찬가지로 내부에 자석을 갖고 있는데, g는 이 자석의 강도와 회전 속도를 나타냄

- g값은 2보다 약 0.1퍼센트 큰데, 이 차는 양자 진공에서 나타난 가상 입자로 인해 발생하며 다시 빠르게 사라짐

《 뮤온과 양자 진공 》

 

․진공은 빈 공간이 아니라, 나타났다 사라지며 빛 혹은 다른 입자와 상호작용하는 무수한 가상 입자들로 채워져 있음

․이 입자들은 아주 잠깐 동안만 존재하기 때문에 현재의 가속기로 만들거나 감지하기 어려움. 때문에 뮤온 g-2 실험을 비롯한 여러 실험에서 자연의 모든 기본 입자를 연구하기 위해 진공을 이용함

․뮤온의 g-2값이 표준모형에서 예측한 값과 다르다면, 이는 이전에 알려지지 않았던 입자가 진공에서 나타났다가 사라지기 때문일 가능성이 있음

ㅇ 뮤온 g-2 값은 자기장 하에서 뮤온의 흔들림을 통해 측정할 수 있음

- 자기장 하에서 뮤온 내부 자석은 나침반처럼 자기장을 따라 정렬하기 위해 스스로 회전함. 그러나 뮤온의 각운동량이 이를 막기 때문에, 뮤온의 스핀축이 대신 회전하거나 세차운동을 함.

※ 축이 기울어진 팽이가 각운동량 때문에 넘어지지 않는 것과 같은 원리

- 이 때 뮤온 스핀축의 세차운동을 정확하게 측정함으로써 g-2 값을 1천만 분의 1 수준의 정밀도로 측정하는 것이 목표

※ 이는 축구장 길이를 머리카락 1/10 단위로 정밀하게 재는 수준

ㅇ g-2 측정값과 이론적 예측 사이에 편차가 있다면 아직 발견되지 않은 아원자가 존재한다는 간접적인 증거가 됨

《 왜 뮤온인가? 》

 

․뮤온은 전자보다 207배 더 무겁기 때문에 새로운 유형의 가상 입자에 특히 민감함

․저장 고리에서 빛의 속도에 가깝게 순환하는 뮤온은 측정에 충분할 만큼(약 64 마이크로 초) 수명이 늘어남

- 특수상대성이론으로 인해 뮤온에게는 시간이 상대적으로 느리게 흐름

 

□ 시설 개요

ㅇ 미국에서 가장 많은 뮤온을 생성할 수 있는 페르미 연구소 가속기 단지에 강력하고 극도로 균일한 자기장을 가진 뮤온 저장 고리를 접목해 구축

- 실험의 핵심 장치인 뮤온 저장 고리는 강철, 알루미늄 및 초전도 와이어로 만들어진 직경 약 15 미터의 고리로, 뮤온을 저장하고 관측하는 시설

- 브룩헤이븐 국립연구소에 지었던 것을 2013년, 5천여 킬로미터 떨어진 페르미 연구소로 한 달여 간 운반

- 2018년 4월 데이터 수집 시작

《 뮤온 저장 고리 대이동》

 

․뮤온 저장 고리를 새로 만드는 것보다 브룩헤이븐에서 기존 고리를 이동하는 것이 10배 저렴했기 때문에, 연구원들은 특별히 준비된 바지선과 트럭으로 고리를 운반했다. 700톤 스위스 시계라고 불리는 이 장치는 그 정교함 때문에 코일 모양 변형은 1/4 인치 이내, 평탄도는 1/10 인치 이내를 유지해야 했다. 과학자들은 대이동을 거쳐 페르미 연구소의 새 뮤온 캠퍼스에 거대한 고리를 설치했다.

□ IBS 연구진 기여

ㅇ 액시온 및 극한상호작용 연구단 야니스 세메르치디스 단장은 2001년 브룩헤이븐 연구소 실험에서 핵심 시설의 팀리더 수행

- 핵심 시설인 뮤온 저장 고리의 정전기적 포커싱 시스템을 총괄

- 이후 주요 기여를 인정받아 ‘브룩헤이븐 국립연구소 올해의 연구자 상’ 수상 및 미국물리학회 펠로우 선정

ㅇ 세메르치디스 단장과 연구진, 연수학생 등 7인은 2014년부터 뮤온 저장 고리 구동과 빔 역학 분석 팀에서 연구 수행 및 기여

- 뮤온 저장 고리 내 자기장을 균일하게 유지하기 위한 광학 편광계 개발

- 뮤온 궤도 진동인 CBO(coherent betatron oscillations)* 효과를 줄이는 데 핵심 역할 수행 

* 뮤온이 고리에서 도는 동안 자기장 때문에 궤도가 옆으로 흔들리는 현상. 고리의 한 지점에서 뮤온 위치를 관측한다고 했을 때, CBO 때문에 돌 때마다 같은 위치에 있지 않음. 이는 g-2 측정 방법에 내재된 계통적 오차(systematic error)라고 할 수 있는데, 연구진은 전기장을 추가해서 CBO 효과를 줄이는 작업을 하고 있음.

 

□ 파급 효과

ㅇ g-2의 실험값과 이론값이 불일치한다면 표준모형을 넘어서는 물리 이론(초대칭, 암흑광자 등)에 대한 분명한 신호가 됨

ㅇ g-2 측정과 표준모형 이론이 일치한다면 표준 모형을 넘어서는 많은 이론에 강력한 한계로 작용

ㅇ 양쪽 경우 모두 물리학에 대한 인류의 이해를 증진하고, 미래 실험들에 대한 중요한 실마리 제공

참고1 뮤온 g-2 실험 참여 연구원 현황

전체 인력

7개국 35개 연구기관 190명 

(전체 명단: https://muon-g-2.fnal.gov/collaboration.html)

 

IBS 소속인력

 

순번 성명 기여 직함

1 야니스 세메르치디스 뮤온(muon) g-2 공동연구 연구단장

기관 위원

2 셀죽 하지오메로루 CBO 감축 시스템 연구기술위원

3 이수형 CBO 감축 시스템 연구위원

4 이명재 초정밀 시뮬레이션 연구위원

5 박성태 광학 편광계 개발 연구기술위원

 

IBS 연수인력 (카이스트 소속)

순번 성명 기여 직함

1 김온 CBO 감축 시스템, 초정밀 시뮬레이션 연수학생

2 자니벡 오마롭 초정밀 시뮬레이션 연수학생