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연재/번역

[번역] Physicists Finally Nail the Proton’s Size, and Hope Dies

by CITY 2019. 10. 3.

 

일러두기

다음은 <퀀타매거진>의 글을 한국어로 번역한 글입니다. 
오역이 있을 수 있으며, 잘못된 부분이 있으면 알려주시기 바랍니다.

 

Physicists Finally Nail the Proton’s Size, and Hope Dies

물리학자들이 양성자의 크기를 밝혀내고, 기대는 사라지다.


Natalie Wolchover, Senior Writer/Editor

September 11, 2019

2010년 독일 물리학자들은 원자핵의 구성 요소인 양전하의 양성자 크기를 매우 정확하게 측정했다고 보고했다. 결과는 매우 당황스러웠다.

막스 플랑크 양자 광학 연구소(Max Planck Institute of Quantum Optics)의 랜돌프 폴(Randolf Pohl)과 공동 연구자들은 전자를 뮤입자로 대체한 특수한 수소원자(이하 '뮤입자 수소')를 사용해 양성자를 측정했다. 뮤입자(muon)는 기본 입자 중 하나이며, 전자와 같이 전하가 -e 이며 스핀은 1/2이다. 

폴의 연구팀은 뮤입자가 궤도에 있는 양성자(muon-orbited protons)의 반경이 0.84 펨토미터(0.84 * 10-15m)로 앞서 20개가 넘게 측정한 수소의 평균보다 4 % 더 작다는 것을 발견했다.

그러한 차이가 사실이어서 뮤입자가 있는 상태의 양성자가 실제로 수축한 것을 의미한다면, 이는 양성자와 뮤입자 사이에 밝혀지지 않은 물리적 상호 작용(중요한 발견)이 있음을 함축한다. 그 가능성을 조명하는 수백 개의 논문이 그 후 10년 가까이 쓰여졌다.

그러나 9월 6일 Science에 보고된 새로운 측정에 의해 “양자 반경 퍼즐”이 입자 물리학을 뒤집고 새로운 자연 법칙을 드러낼 거라는 희망이 생겨났다.

9년 전 폴의 뮤입자 수소(muonic hydrogen) 결과 후 토론토 요크 대학의 에릭 헤셀스 (Eric Hessels)를 비롯한 물리학자들로 구성된 팀은 표준적인 '전자' 수소의 양성자를 재측정하기 시작했다. 

결과는 다음과 같았다. 헤셀스와 동료들은 폴의 값과 정확히 일치하는 측정 값, 0.833 펨토미터(오차는 0.01 펨토미터)를 구했다. 두 측정 모두 이전의 시도보다 정확하며, 주변 상황에 따라 양성자 크기를 변경하지 않는 것이 좋다. 오히려 전자 수소를 사용한 예전 측정이 잘못됐다.

2018년 여름 워크숍에서 헤셀스의 예비 조사 결과에 대해 처음 들었던 폴은 양성자 반경 퍼즐을 푸는 "가장 평범한 설명"임에도 "환상적인 결과"라고 했다.

헤셀스 역시 그들의 결과가 조금 씁쓸하더라도 그들의 측정이 “뮤입자 수소에서의 측정과 정확하게 일치”한다는 것을 매우 기쁘게 생각한다고 말했다. "우리는 아직 모든 물리 법칙을 이해하지 못한다는 것을 알고 있습니다. 그래서 우리는 힌트가 있을지도 모르는 모든 것을 추적해야 합니다."

양성자의 반경은 사소한 것이 아니다. 헤셀스와 동료들은 그 값을 찾기 위해 램 이동(Lamb shift)를 측정해야 했다. 램 이동은 2S와 2P 상태라 불리는 수소의 첫번째와 두번째 에너지 준위 차이를 말한다. 헤셀스는 1980년대 학부 시절부터 램 이동을 측정하고 싶었지만 양성자 반경 퍼즐이 마침내 그에게 시도할 자극을 주었다고 말했다. 그는 "극히 어려운 측정"이라며, “마땅한 이유가 필요했다”고 말했다.

 

수소의 2S와 2P 상태는 주어진 시간에 전자가 어디에서 발견 될 수 있는지를 나타낸다. 이 이미지는 각 상태에서 전자의 가능한 위치를 보여준다. 표시되지 않은 양성자는 각 이미지 중앙에 있다. 2S 상태에서, 전자는 양성자와 겹친다. 0이 아닌 시간(non-zero amount of time) 동안 전자는 양성자 자체 내부에 있다. 2P 상태에서 전자와 양성자는 겹치지 않는다.


1947년 측정을 처음 시도했던 미국 물리학 자 윌리스 램 (Willis Lamb)의 이름을 딴 램 이동은 다음과 같은 방식으로 양성자의 반경을 나타낸다. 전자가 2S 상태에서 양성자를 돌 때, 그 시간의 일부를 양성자(쿼크와 글루온이라고 불리는 기본 입자의 배치로 빈 공간이 많다) 내부에서 보낸다. 전자가 양성자 내부에 있을 때, 양성자의 전하는 전자를 반대 방향으로 끌어당겨, 부분적으로 상쇄시킨다. 결과적으로, 둘 사이의 전기 인력이 감소하여 원자를 함께 묶어두는 에너지를 줄인다.양성자가 크고, 전자가 양성자 안에서 더 많은 머무를수록 전자를 묶는 힘이 약해져 보다 쉽게 도약할 수 있다.

헤셀스와 동료들은 레이저를 수소 가스의 구름으로 발사해 전자가 2S 상태에서 2P 상태로 점프하게 했는데, 여기서 전자는 양성자와 겹치지 않는다. 전자가 이러한 도약을 하는데 필요한 정확한 에너지를 찾는 것은 전자가 양성자 안에 있을 때 2S 상태에서 얼마나 묶어두는 힘이 약한지를 보여주게 된다. 이것은 양성자의 크기를 직접적으로 드러낸다. 

폴은 같은 방식으로 2010년 뮤입자 수소의 램 이동에서 양성자 반경을 알아냈다. 그러나 뮤입자는 전자보다 무겁기 때문에 2S 상태에서 양성자 주위를 더 단단히 둘러싼다. 이는 양성자 내부에서 더 많은 시간을 보내며 뮤입자 수소의 램 이동이 일반 수소보다 양성자의 크기에 수백만 배 더 민감해진다는 것을 의미한다.

후자의 경우, 헤셀스는 양성자 반경의 정확한 값을 알아내기 위해 2S와 2P 사이의 에너지 차이를 백만 분의 1의 정확도로 측정해야했다.

새로운 결과는 전자 수소에서 양성자의 반경을 측정하려는 이전 시도들이 실제 값보다 크게 측정된 경향이 있다는 것을 의미했다. 이래야 하는 이유는 불분명하다. 일부 연구자들은 문제를 풀기 위해 양성자의 크기 측정을 계속 개선하고 검증 할 수도 있다. 그러나 헤셀스의 연구는 끝났다. 헤셀스는 "우리는 조직을 해체하고 있습니다."라고 말했다.

원문

Physicists Finally Nail the Proton’s Size, and Hope Dies

 

 

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