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표준모형은 17개의 기본입자와 중력을 제외한 3개의 기본 힘으로 우주를 설명한다. 지금까지는 가장 완벽한 이론으로 꼽히지만 중력을 설명하지 못하고, 최근 표준모형으로 설명되지 않는 실험 결과들이 나오면서 표준모형에 포함되지 않은 5번째 힘의 존재 가능성에 대한 연구가 활발하다.

최근 벤자민 히코크 미국 국립표준기술연구소  연구원팀은 실험을 통해 5번째 힘을 관찰할 수 있는 범위를 좁혔다. 이 힘은 원자핵 내의 강력을 설명할 수 있고 초끈이론과도 관련이 있다. 규소 결정에 중성자빔을 쏘면 원자가 늘어선 평면을 통과하면서 중성자는 정상파(진동의 마디점이 고정된 파동)를 형성한다. 이때 서로 다른 경로로 만들어진 두 정상파가 간섭해 희미한 움직임인 ‘펜델로슝 진동’을 만들어내는데, 이 진동은 중성자가 규소 결정 안의 원자와 상호작용한 결과물이다.   

연구팀은 진동을 분석해 중성자의 ‘전하 반경(charge radius)’을 현재까지 발표된 측정치 중 가장 높은 정확도로 측정했다. 중성자는 양전하를 띠는 업쿼크 하나와 음전하를 띠는 다운쿼크 두 개로 이뤄져 있는데 업쿼크는 중심을 향해, 다운쿼크는 바깥쪽 부분을 향해 위치해 있다. 중심에서부터 다운쿼크의 영향이 미치는 바깥쪽까지가 전하 반경이다.

이번 실험에서 중성자의 전하 반경을 측정한 덕분에 이전에 비해 다섯 번째의 힘의 관찰 범위가 10분의 1로 줄어들었다. 히코크 연구원은 “앞으로 규소와 게르마늄을 사용해 실험해 측정 오차를 더욱 좁혀나갈 것”이라고 말했다. 연구결과는 국제학술지 ‘사이언스’ 9월 9일자에 실렸다. doi: 10.1126/science.abc2794