Cern의 LHC(대형 강입자 충돌기 Large Hadron Collider)에서 일하는 물리학자로서 내가 가장 자주 받는 질문 중 하나는 "언제 무언가를 찾을 예정입니까?"이다. "노벨상을 수상한 힉스 입자와 수많은 새로운 복합 입자를 제외하고?"라고 냉소적으로 대답하려는 유혹을 물리치고, 그 질문이 자주 제기되는 이유는 입자 물리학의 발전을 더 넓은 세계에 어떻게 묘사했는지에 달려 있다는 것을 안다.

우리는 종종 새로운 입자를 발견하는 측면에서 진행 상황에 대해 이야기하며 종종 그렇다. 새롭고 매우 무거운 입자를 연구하면 종종 성가신 배경 소음 없이 근본적인 물리적 프로세스를 볼 수 있다. 이를 통해 대중과 정치인에게 발견의 가치를 쉽게 설명할 수 있다.

그러나 최근에 이미 알려진 늪지 표준 입자 및 프로세스에 대한 일련의 정확한 측정이 물리학을 뒤흔들 위험이 있다. 그리고 LHC가 그 어느 때보다 더 높은 에너지와 강도로 달릴 준비를 하고 있기 때문에 의미를 광범위하게 논의할 때이다.

사실, 입자 물리학은 항상 두 가지 방식으로 진행되어 왔으며, 그 중 새로운 입자는 하나이다. 다른 하나는 이론의 예측을 테스트하고 예상과의 편차를 찾는 매우 정확한 측정을 수행하는 것이다.

예를 들어, 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 대한 초기 증거는 별의 겉보기 위치와 궤도에서 수성의 운동에서 작은 편차를 발견한 것에서 나왔다.

세 가지 주요 결과

입자는 반직관적이지만 양자 역학이라는 매우 성공적인 이론을 따른다. 이 이론은 실험실 충돌에서 직접 만들기에는 너무 큰 입자가 다른 입자가 하는 일에 여전히 영향을 미칠 수 있음을 보여준다("양자 변동"이라고 함). 그러나 그러한 효과의 측정은 매우 복잡하고 대중에게 설명하기가 훨씬 더 어렵다.

그러나 표준 모델을 넘어 설명할 수 없는 새로운 물리학을 암시하는 최근 결과는 이러한 두 번째 유형이다. LHCb 실험의 상세한 연구에 따르면 뷰티 쿼크(쿼크는 원자핵에서 양성자와 중성자를 구성함)로 알려진 입자가 뮤온(전자는 더 무겁고, 그러나 다른 점은 동일하다. 표준 모델에 따르면 이런 일이 일어나서는 안 된다. 즉, 새로운 입자나 자연의 힘이 이 과정에 영향을 미칠 수 있음을 암시한다.

그러나 흥미롭게도 LHC의 ATLAS 실험에서 "톱 쿼크"와 관련된 유사한 과정의 측정은 이러한 붕괴가 전자와 뮤온에 대해 동일한 비율로 발생한다는 것을 보여준다.

한편, 미국 Fermilab의 Muon g-2 실험은 최근 뮤온이 "스핀"(양자 속성)이 주변 자기장과 상호 작용할 때 "워블"하는 방법에 대한 매우 정확한 연구를 수행했다. 그것은 미지의 힘이나 입자가 작용할 수 있음을 다시 시사하는 일부 이론적 예측에서 작지만 상당한 편차를 발견했다.

가장 최근의 놀라운 결과는 방사성 붕괴를 지배하는 약한 핵력을 운반하는 W 보존이라고 불리는 기본 입자의 질량을 측정한 것이다. 수년간의 데이터 수집 및 분석 끝에 Fermilab에서도 실험이 이론이 예측한 것보다 훨씬 더 무겁고 백만 번 이상의 실험에서 우연히 발생하지 않을 양만큼의 편차가 있음을 시사한다. 다시 말하지만, 아직 발견되지 않은 입자가 질량에 추가되고 있을 수 있다.

그러나 흥미롭게도 이것은 LHC(이 연구와 이 연구에서 제시)의 일부 낮은 정밀도 측정과도 일치하지 않는다.

판결

이러한 효과에 대해 새로운 설명이 필요하다고 절대적으로 확신할 수는 없지만 새로운 물리학이 필요하다는 증거가 점점 늘어나고 있는 것 같다.

물론 이러한 관찰을 설명하기 위해 제안된 새로운 메커니즘은 이론가만큼 많이 있을 것이다. 많은 사람들이 다양한 형태의 "초대칭"을 볼 것이다. 이것은 표준 모델에 우리가 생각한 것보다 두 배 많은 기본 입자가 있으며 각 입자에는 "수퍼 파트너"가 있다는 아이디어이다. 여기에는 추가 힉스 입자가 포함될 수 있다(기본 입자에 질량을 부여하는 장과 관련됨).

다른 사람들은 이것보다 더 나아가 자연의 추가적인 힘(중력, 전자기력, 약하고 강한 핵력 외에)이 있음을 의미하는 "테크니컬러"와 같은 덜 최근에 유행하지 않은 아이디어를 불러일으키고 힉스 입자가 실제로 다른 입자로 구성된 복합 물체이다. 실험만이 문제의 진실을 드러낼 것이며, 이는 실험가들에게 희소식이다.

새로운 발견의 배후에 있는 실험 팀은 모두 높은 평가를 받고 있으며 오랫동안 문제를 해결해 왔다. 즉, 이러한 측정을 수행하는 것이 매우 어렵다는 점을 언급하는 것은 그들에게 무례한 것이 아니다. 게다가, 표준 모델의 예측은 일반적으로 근사가 이루어져야 하는 곳에서 계산을 요구한다. 이것은 다른 이론가들이 가정과 근사 수준에 따라 약간 다른 질량과 붕괴 속도를 예측할 수 있음을 의미한다. 따라서 더 정확한 계산을 수행하면 일부 새로운 발견이 표준 모델에 맞을 수 있다.

마찬가지로, 연구원들이 미묘하게 다른 해석을 사용하여 일관성 없는 결과를 찾을 수 있다. 두 실험 결과를 비교하려면 두 경우 모두 동일한 수준의 근사가 사용되었는지 주의 깊게 확인해야 한다.

이는 모두 "체계적 불확실성"의 원인이며, 모든 관계자가 이를 정량화하기 위해 최선을 다하지만, 이를 과소 또는 과대 평가하는 예상치 못한 합병증이 있을 수 있다.

이 중 어느 것도 현재 결과를 덜 흥미롭거나 중요하게 만들지 않는다. 결과가 보여주는 것은 새로운 물리학에 대한 더 깊은 이해를 위한 여러 경로가 있으며 모두 탐색해야 한다는 것이다.

LHC가 다시 시작되면서 더 희귀한 프로세스를 통해 새로운 입자가 만들어지거나 우리가 아직 발견하지 못한 배경 아래 숨겨진 것으로 발견될 가능성이 여전히 있다.

이미지 출처: Reidar Hahn/wikipedia, CC BY-SA