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오늘날 과학은 표준모형과 중력을 이용해 우주에서 벌어지는 수많은 현상을 설명한다. 전자, 쿼크, 중성미자 등 기본입자 17개로 구성된 표준모형은 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력을 설명하는 ‘현대 물리학의 근간’이다. 그런데 이 표준모형을 뒤흔들 만한 실험 결과가 나왔다.

미국 페르미국립연구소를 필두로 한 국제 공동연구팀은 뮤온 g-2 실험 결과, 기본입자 중 하나인 뮤온의 흔들림 값(자기 모멘트)을 측정한 실험값이 표준모형을 통해 추정한 이론값과 다르다는 것을 발견했다. 공동연구팀은 이 같은 결과를 8월 10일(현지시간) 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’에 투고했다고 밝혔다. ^{arXiv: 2308.06230}

뮤온은 전하를 띠면서 스핀하는 특성이 있다. 이 때문에 막대자석처럼 자기 모멘트를 가진다. 자기 모멘트를 가지는 물체는 자기장 속에서 팽이 축처럼 흔들거린다. 이 흔들림을 측정한 값을 ‘g’라고 부르며 뮤온의 g 값은 이론적으로 약 2다. 이 값은 표준모형 속 입자와 힘의 영향을 배제한 이론값이며, 표준모형의 영향을 고려했을 때 뮤온의 g 값은 2.00233183620이 된다는 게 과학자들의 추정이다.

뮤온 g-2 실험의 목적은 뮤온의 g 값을 최대한 정확히 측정해, 표준모형이 우리의 예측대로 뮤온의 g 값에 영향을 주는지 확인하기 위함이다. 과학자들은 자기장의 세기를 정확히 알 수 있는 원형 실험 장치를 페르미국립연구소에 마련했다. 여기에 뮤온 빔을 발사하면 뮤온이 원형 장치 속을 따라 움직이며 자기장의 영향을 받아 팽이 축처럼 흔들거린다. 이 과정에서 뮤온이 중성미자와 양전자로 붕괴하는데, 붕괴해 생성된 양전자의 궤적을 분석하면 뮤온의 흔들림, 즉 g 값을 알아낼 수 있다. 실험을 통해 도출한 뮤온의 g 값이 표준모형에 의한 예측과 다르게 나타난다면 이는 현재 표준모형이 놓치고 있는 우주의 구성요소가 있다는 증거가 된다.

국제 공동연구팀은 2018년 4월부터 뮤온 g-2실험을 진행하고 있다. 2018년 측정된 첫 해 자료를 토대로 2021년 4월 2.0033184122라는 g 값이 발표되면서, 표준모형에 어긋나는 실험결과에 전 세계가 떠들썩했다. 지난 8월 10일 발표된 연구는 2019년과 2020년 두 해간 진행된 실험을 분석한 것으로, 이전 실험보다 4배 많은 뮤온 붕괴를 측정했다. 그 결과 g 값은 2.00233184110로 나타났으며, 두 번의 실험 결과 모두 표준모형으로 예측한 g 값과 실험값이 다르다는 결론이다.

뮤온 g-2 실험에 참여하고 있는 야니스 세메르치디스 기초과학연구원(IBS) 액시온 및 극한상호작용 연구단 연구단장은 “예측값과 실험값이 다른 이유가 무엇인지 밝히는 과정이 앞으로 수년 내 마무리될 것”이라며 “이를 위해 IBS 액시온 및 극한상호작용 연구단이 개발한 오차 개선 장치가 현재 페르미국립연구소에서 활약 중”이라고 말했다.