50년 넘게 입자물리학자들은 하나의 틀, 즉 물리적 세계의 모든 기본 입자와 이들이 세 가지 기본 힘을 통해 상호 작용하는 방식을 설명하는 이론인 표준 모델을 통해 우리 우주를 설명해 왔습니다.
이 모델을 매우 유용하게 만드는 이유는 믿을 수 없을 정도로 정확한 것으로 입증된 ‘누락된’ 입자와 같은 구체적이고 테스트 가능한 예측을 생성한다는 것입니다. 주목할만한 예 중 하나는 힉스 보손(Higgs boson)으로, 처음 존재할 것으로 예측된 지 거의 반세기가 지난 2012년 LHC(Large Hadron Collider)에서 수집한 데이터를 사용하여 발견되었습니다.
그러나 입자물리학은 가장 필수적인 도구가 주변 세계와 잘 일치하지 않는 것 같다는 사실을 점점 더 많이 발견하고 있습니다. 가장 주목할만한 문제는 중력을 설명할 수 없다는 것이다. 또한 우주를 하나로 묶고 있는 것처럼 보이는 암흑 물질 현상을 설명할 수 있는 입자도 제시하지 않습니다.
다른 실험에서도 이론에 균열이 나타나고 있습니다. 입자 물리학자들은 벼랑 끝에 서 있습니다. 이제 그들이 의존해왔던 표준모형을 버리고 완전히 새로운 이론을 창조해야 할 때가 아닐까?
펭귄의 문제
B 중간자라고 불리는 특정 입자의 붕괴를 관찰하는 LHC에서의 실험은 표준 모델 관의 최신 못이 될 수 있습니다.
일반적으로 입자 물리학자들은 LHC와 같은 가속기를 사용하여 더 작은 입자를 거의 빛의 속도로 분쇄하여 더 무거운 입자를 생성하는 방식으로 연구를 수행합니다. 그러나 일부 연구자들은 대신에 이러한 더 무거운 입자의 존재를 간접적으로 추론하려고 노력하고 있습니다.
그러한 실험 중 하나는 B 중간자라고 불리는 입자가 어떻게 붕괴하는지 연구합니다. 매우 드문 경우(100만 건 중 1건의 관찰) 이 과정은 펭귄 부패라고 불리는 더 큰 ‘보이지 않는’ 입자의 영향을 받을 수 있습니다.
이 펭귄 부패는 표준 모델에 의해 예측되지만 예측된 속도는 LHC가 실험 중에 관찰한 빈도와 일치하지 않습니다.
큰 문제처럼 들리지 않을 수도 있습니다. 아마도 실험에서 펭귄이 부패하는 것을 덜 자주 볼 수 있었을 것입니다. 그러나 관련된 관찰의 수를 고려하면 더욱 놀랍습니다. LHC 연구진은 650건을 분석했다. 10억 B 중간자 붕괴는 펭귄이 붕괴해야 하는 것보다 더 적은 수의 붕괴를 발견했을 뿐만 아니라 입자가 가리키는 방향에 대한 관찰에서도 변칙적인 현상을 발견했습니다.
이 발견은 철통같은 것이 아니며, 표준 모델에 대한 명확한 증거도 아닙니다. 하지만 이는 흥미로운 징후이다.
현재 결과는 소위 5시그마 임계값(과학적 발견의 최적 기준으로 간주되는 무작위 우연에 의한 관찰 확률이 170만 분의 1인 지점)을 충족하지 않습니다. 해당 임계값을 달성하려면 더 많은 관찰이 필요합니다.
또한 이번 발견은 적어도 부분적으로는 매혹적으로 ‘매력적인 펭귄’이라고 불리는 매우 측정하기 어려운 현상에 의해 발생했을 수도 있습니다. 이는 ‘매력 있는’ 쿼크와 관련된 상호작용이지만 그 결과를 예측하기는 어렵습니다.
그러나 비표준 모델 물리학의 힌트는 LHC의 감지기 중 하나인 Compact Muon Solenoid(CMS)를 사용한 작업을 통해 뒷받침됩니다. 이 작업도 펭귄 부패를 조사했지만 다른 하드웨어, 다른 방법론을 사용하고 다른 연구자가 수행했기 때문에 독립적인 검증의 원천으로 가치가 있습니다.
균열이 커진다
이 모든 것은 표준 모델이 작동하지 않는 사례가 더 많이 발견되고 있다는 증거가 늘어나고 있습니다. 이 주제를 조사한 연구원 중 한 명인 Imperial College London의 Mark Smith 박사는 “이러한 종류의 측정에서 균열이 보이기 시작했습니다.”라고 말했습니다.
이는 표준 모델로도 설명되지 않는 중력과 암흑 물질의 오랜 문제를 잊지 않는 것입니다.
Smith는 “우리는 항상 표준 모델을 넘어서는 새로운 물리학이 있어야 한다는 것을 알고 있었습니다.”라고 말했습니다. “문제는 우리가 무엇을 모른다는 것입니다.”
표준 모델에 수정이 필요한 것은 이번이 처음이 아닙니다. 예를 들어, 1990년대에는 이전에 질량이 없다고 생각되었던 입자인 중성미자가 질량을 가질 수 있도록 모델이 수정되었습니다. 실제로 이론적 모델은 일반적으로 거의 무한한 방식으로 조정할 수 있지만 입자 물리학에는 더 제한된 접근 방식이 필요합니다.
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“입자 물리학의 흥미로운 점 중 하나는 아무것도 고립되어 존재하지 않는다는 것입니다.”라고 Smith는 말합니다. 하나의 측정 또는 하나의 특정 입자의 존재는 모델의 다른 부분에도 영향을 미칩니다.
예를 들어, 암흑 물질을 설명하기 위해 새로운 입자를 추가하려면 그 존재가 전체 프레임워크에 통합되어야 합니다. “따라서 얻은 측정값을 설명하기 위해 하나의 새로운 입자를 얻는 것이 아니라 필연적으로 완전히 새로운 범위의 입자를 얻게 됩니다.”
펭귄 붕괴에서 암흑 물질, 중력에 이르기까지 비표준 모델 물리학을 입증하는 단서가 늘어나고 있지만 현재 존재하는 표준 모델로 쉽게 접힐 수 있는 것은 아닙니다.
그것들은 완전히 새로운 물리학 개념으로의 전환을 수반할 가능성이 높으며, 그 전환이 무엇을 포함하든 펭귄 붕괴율이 왜 그런 것인지부터 암흑 물질을 형성하는 것, 중력이 작동하는 방식에 이르기까지 점점 늘어나는 비표준 모델 관측을 설명할 수 있을 것입니다.
“이것에 대한 설명이 있다면 매우 자연스러울 것입니다. [penguin decay] 또한 암흑 물질 또는 적어도 암흑 물질 후보에 대한 설명을 제공합니다.”라고 Smith는 말했습니다.
이 새로운 물리학이 무엇을 포함할지에 대한 아이디어를 얻으려면 더 많은 데이터가 필요합니다. 그리고 좋은 소식은 이미 LHC에서 수집된 풍부한 데이터가 분석되어 제시되는 과정에 있다는 것입니다.
연구원들은 이제 가장 최근 논문에서 얻은 것보다 5배 더 많은 데이터를 확보하게 되었으며, 이는 입자 물리학 증거의 최적 표준을 충족하는 5시그마 임계값을 제공할 수 있기를 희망하며 CMS에서도 더 많은 데이터가 예정되어 있습니다. Smith는 펭귄 부패 문제가 5~10년 내에 해결될 것으로 추정합니다.
그리고 전 세계의 실험과 암흑 물질 및 중성미자 같은 주제를 연구하는 다른 입자 물리학 그룹의 실험에서 나오는 수많은 추가 잠재적 데이터가 있으며, 이는 새로운 물리학을 향한 길을 제시할 수도 있습니다.
도전이자 기대되는 점은 새로운 모델 측면에서 우리가 찾고 있는 로드맵이 없다는 것입니다.
Smith는 “우리는 처음으로 다음 단계가 무엇인지 알 수 없는 지역에 있습니다.”라고 말합니다. 힉스 보손 발견과 같은 입자 물리학의 이전 혁신은 중대한 성과였지만 이는 표준 모델에 의해 예상되고 예측된 것이었습니다. 이제 우리는 식별할 다음 입자가 무엇인지, 어디서 찾아야 하는지 전혀 모릅니다. “우리가 뭔가 새로운 것을 보게 된다면 그것은 전혀 예상치 못한 일이 될 것입니다. 그리고 그것은 매우 매우 흥미로운 일이라고 생각합니다.”
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