과학자들은 뮤온(muon)이라고 불리는 작은 아원자 입자를 이해하는 데 획기적인 발전을 이루었다. 그들의 연구는 미국 입자 물리학 연구의 선두 시설인 페르미 국립 가속기 연구소(Fermilab)에서 이루어졌으며 이전 결과보다 정확도가 두 배 향상되었다. 새로운 발견은 우주에 대한 우리의 현재 이해에 도전할 수 있으며, 우리가 알고 있는 기존의 4가지 힘(전자기력, 중력, 강한 핵력, 약한 핵력) 외에 새로운 기본 힘이 있을 수 있음을 시사한다.

뮤온은 전자의 더 무거운 사촌과 같다. 질량은 106MeV로 전자 질량의 200배이다. 전자는 완전히 안정된 것처럼 보이지만 뮤온은 수명이 매우 짧아서 220만분의 1초의 수명이 지나면 전자, 중성미자, 반중성미자로 붕괴된다. 이 과정은 약한 힘을 통해 발생한다.

뮤온은 자기장에 노출되면 흔들리는 작은 자석처럼 행동한다. 과학자들은 기호 g로 표시되는 속성인 흔들리는 정도를 측정하는 데 관심이 있다. 현재 이론에 따르면 이 값은 2에 가까워야 한다.

그러나 뮤온은 주변에 갑자기 나타났다가 사라지는 다른 입자의 "바다"와 상호 작용하며 이러한 상호 작용으로 인해 흔들림이 약간 바뀔 수 있다. 현재 이론은 알려진 모든 입자를 설명한다. 그러나 알려지지 않은 입자가 있는 경우 워블은 우리가 예상한 것과 다를 수 있다. 이것이 바로 과학자들이 매우 흥분하는 이유이다. 이 실험의 결과는 알려지지 않은 새로운 입자나 힘을 암시할 수 있다.

Muon g-2 협력은 7개국 33개 기관의 과학자 약 200명으로 구성된 그룹으로, 지금까지 Fermilab에서 수행한 연구를 바탕으로 박사 학위를 받은 약 40명의 학생이 포함되어 있다.

이 최신 실험에서 그들은 직경이 15m(50피트)인 초전도 자기 저장 링에 뮤온 옥션을 보냈고, 그곳에서 거의 광속으로 약 1,000회 회의를 했다. 고리에 존재하는 탐지기를 통해 뮤온이 얼마나 빠른 세차 운동("워블링")을 받을 수 있는지 확인된다. 스위치는 또한 자기 장의 세기를 정밀하게 측정해 g-2 값을 찾으려고 한다.

이번 달뮤온 g-2 공동연구팀이 발표한 새로운 실험 결과는 이전 연구보다 2배나 신뢰의 범위가 크게 꺼졌습니다. 0.20ppm의 당사자이다.

g-2 = 0.00233184110 +/- 0.00000000043(통계) +/- 0.00000000019(시스템)

훨씬 더 큰 데이터 세트(뉴욕 브룩헤이븐 국립 연구소의 이전 실험 크기의 21배) 외에도 연구팀은 향상된 기술, 장비 및 시뮬레이션을 통해 Fermilab 시설을 업데이트했다. 6년 동안 데이터를 수집한 후, 업데이트된 g-2 측정 결과에 따르면 뮤온이 표준 모델에서 예측한 것보다 약간 더 빠르게 흔들리고 있는 것으로 나타났다.

Muon g-2 협력 공동 대변인인 피터 윈터(Peter Winter)는 "이 측정은 놀라운 실험적 성과이다."고 말했다. "체계적인 불확실성을 이 수준으로 낮추는 것은 큰 일이며 우리가 그렇게 빨리 달성할 것으로 예상하지 못한 일이다."

"흔들림은 뮤온이 자기장과 상호작용하는 방식에 기인한다"고 유니버시티 칼리지 런던의 존 버터워스(Jon Butterworth) 교수는 설명했다. "표준 모델에서 매우 정확하게 계산할 수 있지만 그 계산에는 알려진 입자가 해당 루프에 나타나는 양자 루프가 포함된다. 측정이 예측과 일치하지 않으면 알려지지 않은 입자가 있다는 신호일 수 있다. 예를 들어 다섯 번째 힘의 전달자가 될 수 있는 고리에 나타난다."

런던 임페리얼 칼리지(Imperial College London)의 미테쉬 파텔(Mitesh Patel) 박사는 “우리가 알고 있는 네 가지 힘으로는 [이 실험에서] 행동을 반드시 설명할 수 없기 때문에 다섯 번째 힘에 대해 이야기하고 있다”고 말했다.

이 협력은 2025년에 뮤온 자기 모멘트에 대한 가장 정확한 최종 측정 결과를 공개할 것으로 예상하고 있으며, 이는 표준 모델 이론과 실험 사이의 궁극적인 대결을 설정한다. 그때까지 물리학자들은 뮤온 g-2에 대한 새롭고 향상된 측정 방법을 가지고 다. 공동 작업의 최신 결과를 설명하는 논문이 이번 달 피지컬 리뷰 레터(Physical Review Letters) 저널에 제출되었다.