제5의 힘의 존재 증거를 찾아나선 유럽입자물리연구소(CERN)의 'NA64 실험' 장비. Brice, Maximilien 크레딧 : CERN
헝가리 물리학자들이 최근 헬륨에서 제5의 힘을 매개하는 것으로 추정되는 입자, X17을 발견했다는 소식입니다.
이들은 2016년에도 베릴륨(Be)의 방사성 붕괴 과정에서 같은 입자를 발견, 세계 물리학계의 비상한 관심을 끌었습니다. 이에 따라 당시 유럽입자물리연구소(CERN)는 제5의 힘을 찾는 ‘NA64 실험’을 시행하기도 했습니다.
헝가리 연구팀이 2016년에 이어 이번에도 같은 종류의 입자를 발견함으로써 CERN을 비롯한 세계 물리학계는 대거 제5의 힘을 매개하는 입자 찾기에 본격 나서고 있습니다.
헝가리의 아톰키 핵연구소의 아틸라 크라스냐호르카이(Attila Krasznahorkay)와 그의 동료들은 최근 헬륨 핵의 붕괴 과정에서 새로운 입자를 발견했다고 발표했습니다. 이 입자의 질량은 전자의 33배인 17메가일렉트론볼트(MeV)로 측정되었다고 합니다. 그래서 연구팀은 이 입자를 X17로 명명했습니다. 뭔지 아직 확실히 모르지만(X) 질량이 17MeV라는 뜻입니다.
이들의 연구는 현재 동료 검토(peer review) 중에 있으며, 출판 전 공유 사이트(arXiv.org)에 올라 있습니다.
크라스냐호르카이와 그의 동료들은 2016년 여기상태의 베릴륨-8이 빛을 내는 방식을 분석하다가 매우 이상한 점을 발견했습니다. 그 빛은 에너지가 충분하면 전자-양전자로 변하는데, 그것은 사라지기 전에 예측 가능한 각도로 서로 밀어냅니다. 즉 에너지 보존의 법칙에 따라 두 입자를 생성하는 빛의 에너지가 증가함에 따라 그 사이의 각도는 감소해야 합니다.
하지만 이상하게도, 크라스냐호르카이 연구팀이 본 것은 그렇지 않았습니다. 집계 결과 140도의 각도로 분리되는 전자-양전자 수가 예기치 않게 증가했던 것입니다.
이 연구는 물리학 저널 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 발표되자 전 세계 물리학자들의 관심을 끌었습니다. 일부에서는 ‘전혀 새로운 입자’가 이 같은 이상 현상을 일으킬 수 있다고 제안했습니다. 새로운 입자의 특징을 다 알 수는 없지만 일단 완전히 새로운 종류의 근본적인 ‘보존(boson)’이어야 한다는 결론이 제시됐습니다.
우리는 네 가지 근본적인 힘을 운반하는 입자 중 세 개는 보존임을 잘 압니다. 중력을 매개하는 가상의 입자 그래비톤(graviton)은 아직 확인되지 않았습니다.
연구팀이 이번에 발견한 X17의 독특한 특징(질량 17MeV, 수명 10⁻¹⁴초)은 현재 알려진 4개의 힘을 매개하는 입자들 중의 하나가 될 수 없음을 말해주고 있습니다. 따라서 이 입자는 제5의 힘의 매개체라는 사실을 강력히 암시한다는 것입니다.
연구팀이 2016년 베릴륨-8의 연구 결과를 바탕으로 헬륨 핵의 방사선 방출에서 X17의 존재를 예측했습니다. 실험 결과는 예상대로였는데, 방출된 빛이 현재 물리학의 모델과 일치하지 않는 각도에서 전자-양전자 쌍으로 분리되는 사실을 확인한 것입니다. 그 각도는 115도 정도였다고 합니다. 여기에도 바로 새로운 힘의 매개입자 X17이 작용한 것입니다.
크라스냐호르카이 박사는 "X17의 존재가 확인된다면 입자물리학의 새로운 길이 열릴 것"이라고 말했습니다. 특히 X17은 보통의 물질과 암흑물질의 연결점이 될 수 있을 것이라고 합니다. 오늘날 물리학의 가장 큰 미스터리 중 하나는 암흑물질인데, 유령 같은 끌어당김으로 그 존재를 간접 드러내고 있습니다. 따라서 현재 실험에서 드러난 X17이 암흑물질의 신비를 벗겨줄 수 있을지 모릅니다.
CERN은 ‘NA64 실험’으로 2017년과 2018년에 X17의 증거를 찾아나섰으나 아직 성공하지 못했습니다. 이 실험의 대변인인 세르게이 그니넨코는 뉴사이언티스트와의 인터뷰에서 “탐색이 완전히 끝난 것은 아니며, 이번 새로운 결과에 비추어 다시 한 번 살펴보겠다”고 말했습니다.
이탈리아의 ‘암흑물질 탐핵 실험(PADME)’도 X17 찾기 실험에 착수했습니다. PADME 대변인 마우로 라기(Mauro Raggi)는 “헝가리 팀의 두 차례 연구결과는 진지하게 고려할 필요가 있다”면서 “문제는 그것이 새로운 입자에 연결되어 있느냐 하는 것인데, 우리가 이를 명확하게 하는데 역할을 할 수 있을 것”이라고 말했습니다.
#기사출처 :♠arXiv, New evidence supporting the existence of the hypothetic X17 particle
arxiv.org/abs/1910.10459
♠NewScientist, Physicists see new hints of a fifth force of nature hidden in helium
https://www.newscientist.com/article/2223860-physicists-see-new-hints-of-a-fifth-force-of-nature-hidden-in-helium/
<'우주관 오디세이' 저자>
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