하버드대 연구팀의 새로운 측정 결과, 전자는 완벽하게 둥근 형태에 가까운 것으로 나타났다

전자는 입자 내부에 양전하 및 음전하가 분포되는 방식으로부터 모양을 얻는다. 입자 물리학의 표준 모델이라고 불리는 이론은 전자가 그 둥근 모습을 거의 완벽하게 유지하도록 하는 원인으로 입자들의 빠른 움직임을 제시한다.

그러나 일부 이론은 전자 밖 가설적인 아원자 입자의 주변이 양전하와 음전하 사이에 약간의 분리를 형성, 전자를 원형 모양으로 만들 수 있다고 제안한다. 이 전하 분리 현상을 EDM(electric dipole moment)이라고 한다. 전자 EDM을 구하면 표준 모델에 존재하지 않는 입자가 전자 주위에 있는지 감지 할 수 있다.

하버드대(Harvard University) ACME( Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment) 연구팀은 전자의 EDM을 매우 정밀하게 조사했지만 여전히 그 흔적을 발견하지 못했다고 팀은 10 17 일 네이터(Nature)에 보고했다.

이 발견은 10-29전자 하전 EDM을 찾기 위한 팀의 마지막 측정값을 10 배 가량 향상시킨 결과다. ACME  연구팀에 참여한 예일대 물리학자 데이빗 드마일(David DeMille)은 이는 마치 전자가 지구의 크기와 같은 둥근 모양 일때 북극을 2 나노 미터 이하로 잘라내 남극에 붙인 것과 같다고 설명했다.

그 결과는 제네바 (Geneva) 근처 CERN 연구소에 위치한 대형 하드론 충돌 가속장치가 표준 모델을 뛰어넘는 새로운 물리학의 징후를 찾는 것을 더 어렵게 할 수 있다. LHC는 양성자와 같은 입자를 고속으로 결합시켜 새로운 입자를 만들고 그 특성을 조사한다.

물리학자들은 표준 모델에 없는 입자의 흔적을 발견하기를 원한다. 왜냐하면 이 이론이 우주의 중요한 특징을 설명 할 수 없기 때문이다. 그러나 LHC는 그 측정 수준에 한계가 있다.

‘Large Hadron Collider’는 세계에서 가장 크고 강력한 입자 가속기다. (Image: CERN)

드마일 팀은 중력 때문에 배가 떨어지는 현상과 같이, 새로운 입자의 존재를 시험하기 위해 토륨(thorium) 일산화탄소 분자를 전기장 아래 위로 움직이려 했다. 아무 일도 일어나지 않았기 때문에 팀은 전자의 형태를 왜곡시킬 수 있는 새로운 입자는 LHC 충돌로 생성 된 입자 에너지의 두 배인 3 테라일렉트론 볼트 이상을 지녀야 한다고 계산했다.

드마일은 우리는 이제 LHC가 볼 수 있는 것을 능가했다. 이것은 실제로 이러한 실험의 기준점을 넘어섰다고 말했다.

LHC를 위한 한 가지 방법은 있다. ACME 계산은 우주에서 물질과 반물질의 차이에 대한 특정 설명을 가정했다. 그 가정이 성립되지 않는다면, 새로운 입자는 LHC가 그것을 생성하기에 충분히 가벼울 수 있다. 그러나 왜 물질이 반물질에 우선하는지 이유에 대한 설명을 얻을 수 없다.

제안 된 CERN의 미래 원형충돌기(Future Circular Collider)는 LHC(대형 하드론 충돌 가속장치) 원주의 3 배로, 약 10 배의 에너지로 입자를 분쇄 할 수 있다.

LHC의 후속 FCC(Future Circular Collider)는 건설 될 경우 높은 에너지에 도달 할 수 있다. 그러나 시애틀 워싱턴 대학 물리학자 브렌트 그레너(Brent Graner)는 더 작고 저렴한 EDM 실험이 여전히 영향력을 발휘할 수 있다고 말한다.

그는 “EDM 실험의 진정한 장점은, 우리가 지금 감지 할 수 있는 수준에서 뭔가를 보게 된다면 새로운 물리학에 대한 실제적이고 모호하지 않은 신호가 될 수 있다는 것이라고 말한다.

*참고 : Improved limit on the electric dipole moment of the electronNature. Published online October 17, 2018. doi:10.1038/s41586-018-0599-8.