아무도 이것보다 더 엄격하게 입자를 조사한 적이 없습니다.
새로운 실험에서 과학자들은 이전보다 더 주의 깊게 전자의 자기적 특성을 측정하여 기본 입자의 특성을 가장 정확하게 측정했습니다. 전자 자기 모멘트로 알려진 이것은 입자가 전달하는 자기장의 강도를 측정한 것입니다.
그 속성은 입자와 힘을 아원자 수준에서 설명하는 이론인 입자 물리학의 표준 모델에 의해 예측됩니다. 사실, 그것은 그 이론에 의해 만들어진 가장 정확한 예측입니다.
새로운 초정밀 측정과 예측을 비교함으로써 과학자들은 이론에 지금까지 가장 엄격한 테스트 중 하나를 제공했습니다. 새로운 측정은 2월 17일 Physical Review Letters에서 물리학자들이 보고한 1조분의 1 또는 10억분의 1퍼센트에 대한 표준 모델의 예측과 일치합니다.
이론이 높은 정확도로 예측을 할 때 그것은 물리학자의 배트 시그널과 같으며 연구자들이 그것을 테스트하도록 요청합니다. 일리노이 주 에반스턴에 있는 노스웨스턴 대학의 물리학자 제랄드 가브리엘스는 “우리 중 일부에게는 거부할 수 없는 일”이라고 말합니다.
자기 모멘트를 측정하기 위해 Gabrielse와 동료들은 몇 달 동안 단일 전자를 연구하여 자기장에 가두어 마이크로파로 조정할 때 어떻게 반응하는지 관찰했습니다. 연구팀은 전자 자기 모멘트를 0.13ppt, 즉 0.000000000013%로 결정했습니다.
정확한 측정은 복잡한 작업입니다. 버클리 캘리포니아 대학의 물리학자 홀거 뮐러(Holger Müller)는 “너무나 도전적이어서 가브리엘스 팀 외에는 아무도 감히 해내지 못했다”고 말했다.
새로운 결과는 14년 이상 지속되었으며 Gabrielse 팀이 만든 이전 측정보다 두 배 이상 정확합니다. 이제 연구원들은 마침내 스스로를 능가했습니다. 표준 모델에 따라 전자 자기 모멘트를 계산하는 이탈리아 파도바 대학교 소속 이론 물리학자 스테파노 라포르타(Stefano Laporta)는 “[논문]을 보았을 때 ‘와, 그들이 해냈어’라고 말했습니다.”라고 말합니다.
표준 모델의 새로운 테스트는 또 다른 고된 측정의 수수께끼가 아니었다면 훨씬 더 인상적이었을 것입니다. 파리에 있는 Kastler Brossel 연구소의 물리학자 Saida Guellati-Khélifa가 이끄는 최근 두 실험과 Müller가 이끄는 다른 실험은 전자기 상호 작용의 강도를 특징짓는 미세 구조 상수라는 숫자의 값에 동의하지 않습니다. 이 숫자는 표준 모델의 전자 자기 모멘트 예측에 대한 입력입니다. 따라서 불일치는 새 테스트의 정확도를 제한합니다. 그 불일치가 정리된다면 테스트는 지금보다 10배 정확해질 것입니다.
충실한 표준 모델은 수십 년 동안 수많은 실험 테스트를 견뎌냈습니다. 그러나 과학자들은 이것이 전부라고 생각하지 않습니다. 그것은 부분적으로 우주에 중력의 영향을 미치는 보이지 않는 물질인 암흑 물질의 존재와 같은 관측을 설명하지 않기 때문입니다. 그리고 우주가 반물질보다 더 많은 물질을 포함하는 이유를 말하지 않습니다. 그래서 물리학자들은 표준모형이 무너지는 경우를 계속해서 찾는다.
표준 모델의 실패에 대한 가장 감질나는 힌트 중 하나는 전자가 아니라 전자의 무거운 친척인 뮤온의 자기 모멘트입니다. 2021년에 이 속성을 측정한 결과 표준 모델 예측과 불일치할 가능성이 있음을 암시했습니다.
“일부 사람들은 이러한 불일치가 표준 모델을 넘어서는 새로운 물리학의 특징일 수 있다고 생각합니다. 그렇다면 뮤온에 영향을 미치는 새로운 물리학은 전자에도 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 전자 자기 모멘트의 향후 측정도 예측에서 벗어날 수 있으며 결국 표준 모델의 결함이 드러날 수 있습니다.