美國 브룩헤이븐 國立 硏究所는 美國 러시아 日本 獨逸의 11個 硏究所와 共同으로 粒子 物理學의 標準模型에 正面으로 어긋나는 實驗的 結果를 얻었다고 著名한 物理學術誌人 ‘피지컬 리뷰 레터스’ 12日子에 發表했다.

1960年代 以後 確立된 標準模型은 1940年代와 1950年代 發見된 數많은 素粒子의 相互作用을 밝힌 理論이다. 이 理論에 따르면 모든 物質은 12個의 基本粒子 卽 6個의 쿼크와 6個의 輕粒子로 이루어져 있으며, 只今까지 알려진 4가지 힘 가운데 重力을 除外한 나머지 힘들인 電磁氣力 强力 略歷을 統合해 說明할 수 있다.

하지만 이番에 硏究者들은 標準模型이 提示한 12個의 基本粒子들의 作用만으로는 說明할 수 없는 測定結果를 얻었다.

硏究者들은 輕粒子 中 하나인 뮤온(μ)이 磁氣場이 걸려 있는 지름 14m의 뮤온 貯藏링 속에서 빛에 가까운 速度로 돌면서 電子와 뉴트리노로 崩壞될 때 나오는 電子를 觀察해 崩壞 當時 뮤온의 情報를 얻었다.

링 속은 眞空이지만 量子理論에 따르면 瞬間的으로 粒子들이 생기고 消滅한다. 뮤온은 링 속을 돌면서 이런 粒子들과 부딪치는데 標準모델은 이런 衝突이 일어날 때 뮤온이 받는 影響을 1千萬 分의 6의 正確度로 計算할 수 있다.

硏究者들은 이때의 影響을 正確히 測定하기 위해 에너지가 높은 뮤온을 얻을 수 있는 世界 最大 規模의 超傳導 磁石과 正確度와 敏感度가 아주 높은 檢出器를 만들었다. 여기서 얻은 뮤온 崩壞 資料를 分析한 結果 마침내 測定값이 標準模型의 豫測 範圍를 벗어나 있다는 事實을 밝혀 냈다. 이것은 뮤온이 貯藏링을 돌 때 標準模型이 豫測하지 못한 새로운 粒子가 存在함을 意味한다.

事實 只今까지 行해진 모든 實驗의 結果는 標準模型을 써서 說明할 수 있었다. 그럼에도 不拘하고 物理學者들은 끈질기게 標準模型을 反駁하는 實驗 結果를 찾기 위해 努力해 왔다.

지난 98年 物理學者들은 ‘뉴트리노 振動實驗’을 통해 뉴트리노가 質量을 갖고 있다는 事實을 밝혀해 標準模型의 不完全함을 처음으로 證明했다. 標準模型에 따르면 輕粒子人 뉴트리노는 質量이 없어야 하기 때문이다. 여기에 이番의 實驗이 追加됨으로써 搖之不動일 것만 같았던 標準模型은 몇 年 사이에 두 番의 强펀치를 맞은 꼴이 됐다.

共同硏究팀의 代辯人인 美國 보스턴代 物理學者 리 로버트 敎授는 “이番 實驗結果는 99% 以上 確實하다”며 “새로운 發見은 標準模型을 擴張한 超對稱理論 같은 새로운 理論 硏究에 불을 당길 것”이라 말했다.

이를 證明이라도 하듯이 正式으로 論文이 發表되기 前부터 서울대 物理學科 김진의 敎授팀과 송희성 敎授팀 等 全 世界 30餘 곳의 物理學者들이 이 論文을 引用한 論文들을 發表하고 있다.

그동안 物理學者들은 보다 完全한 理論을 찾는 過程에서 標準模型의 根本的인 缺陷을 찾았고 이를 解決하기 위해 招待칭理論 等 새로운 理論을 내놓았다. 高等科學院 김정욱 院長은 “超對稱理論이 成立하려면 標準模型의 基本 粒子마다 各各 招待칭 粒子가 있어야 한다”며 “이番 實驗은 그런 粒子가 實際로 存在함을 暗示하는 最初의 發見”이라고 말했다.

<강석기동아사이언스기자>alchimiste@donga.com