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[IT뉴스]수십년 ‘뮤온 실험' 결론 "표준모형과 일치…새 입자나 힘 못찾아"

온카뱅크관리자

2025-06-04 17:47:29

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 우주의 기본입자 중 하나인 뮤온(muon)의 자성을 계산하기 위한 실험 장치인 '뮤온 g-2 링'이 미국 일리노이주 페르미 국립가속기연구소(페르미랩)에 설치된 모습. Fermilab 제공
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 새로운 입자나 힘의 존재를 확인하기 위해 수십 년간 진행된 입자물리학 실험의 결론이 나왔다. 실험 결과는 기존 입자 표준모델과 정확히 들어맞아 과학자들이 기대했던 새로운 입자나 힘의 근거는 발견되지 않았다.
 3일(현지시간) 국제학술지 사이언스와 미국 뉴욕타임스(NYT)에 따르면 미국 페르미 국립가속기연구소(페르미랩)에서 진행된 '뮤온(muon)'의 자성 측정 실험 결과가 입자 표준모형의 이론적 예측과 정확히 일치한다는 사실이 확인됐다. 연구결과는 2일(현지시간) 논문 사전공개 사이트인 '아카이브(arXiv)'에 공개됐고 현재 국제학술지 '피지컬 리뷰 레터스(PRL)' 게재를 위해 제출된 상태다.
 뮤온은 전자처럼 전하를 띤 우주의 기본입자로 전자와 전하량은 같지만 질량은 약 207배 무거워 불안정하다. 수명이 약 2.2마이크로초(1마이크로초는 100만분의 1초)에 불과하다.
 뮤온은 자기장 안에서 회전하는 팽이처럼 흔들리는데 이때 진동하는 속도는 뮤온의 자성과 관련된 특성을 나타내는 'g'값으로 표현된다. 이론물리학자들은 전세계 입자물리학 실험에서 데이터를 수집하고 역으로 계산해 g값을 약 2로 추정했다.
 실험물리학자들은 이론에서 예측한 g값이 실제 실험과 일치하는지 확인하는 'g-2' 실험을 시작했다. g-2는 실험에서 측정된 g값이 기준인 2와 얼마나 차이가 나는지 표현하기 위해 정의된 값이다.
 1990년대 미국 뉴욕 브룩헤이븐 국립연구소에서 연구팀은 지름 약 15미터의 고리 모양 자석 내부에서 뮤온이 빛의 속도에 가깝게 이동하도록 하는 실험 장치를 만들었다. 고리 가장자리에 설치한 검출기로 뮤온의 진동을 기록하면 진동 데이터를 통해 간접적으로 뮤온의 자성을 측정할 수 있다.
 당시 실험을 통해 측정된 g-2값과 이론 예측값의 오차가 확인되면서 뮤온의 자성에 영향을 주는 알려지지 않은 힘이나 입자의 존재 가능성이 제기됐다. 이후 2013년에 물리학자들은 더 정밀하고 많은 데이터를 수집할 수 있는 일리노이주 페르미랩으로 실험장비를 옮겨 실험을 이어갔다. 
 연구팀은 2023년에 브룩헤이븐 연구소에서 진행한 실험 결과와 같지만 2배 정밀한 g-2값을 발표했다. 이번 연구결과에서 발표된 최종 g-2값은 수백억 개의 뮤온 관측 데이터를 바탕으로 계산된 0.00233184141이다. 축구장 길이를 측정할 때 머리카락보다 얇은 오차로 계산하는 것과 비슷한 정밀도라는 설명이다.
 이번 연구결과로 기존 이론적 예측값과 실험 결과값에 오차가 있다는 사실이 더 명확해진 셈이지만 '뮤온의 자성이 표준모델에 부합한다'는 반대의 결론이 나왔다. 그 이유는 데이터를 기반으로 계산된 표준모델의 이론적 예측값보다 정확한 시뮬레이션 기반의 이론적 예측값이 등장했기 때문이다. 실험 결과는 달라지지 않았는데 이론적 예측값이 달라져 오차가 사라진 것이다.
 뮤온의 자성이 이론적 예측과 일치함에 따라 새로운 입자나 힘을 설명하는 이론은 필요 없다는 결론이 나왔다. 연구팀은 "페르미랩의 실험은 성공적"이라며 "이번 연구결과는 수년간 기준점이 될 것"이라고 밝혔다.
 한편 뮤온 g-2 실험에는 한국의 기초과학연구원(IBS) 액시온 및 극한상호작용 연구단 연구팀도 참여했다. 일본 양성자가속기연구소(J-PARC) 연구팀은 페르미랩에서 진행한 실험과 별개로 g-2를 측정하는 실험을 진행 중이다. 
 &lt;참고 자료&gt; - muon-g-2.fnal.gov/result2025.pdf
 [이병구 기자 2bottle9@donga.com]
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