LHC 물질-반물질 불일치(antimatter anomaly)가 새로운 물리학을 암시한다. ... NewScientist

       

LHC 물질-반물질 불일치(antimatter anomaly)가 새로운 물리학을 암시한다. ... NewScientist  물질과 에너지 / 과학  2011/11/25 17:20 http://blog.naver.com/hansyoo/120146020345 전용뷰어 보기 LHC 물질-반물질 불일치(antimatter anomaly)가  새로운 물리학을 암시한다.   23 November 2011 by David Shiga, Magazine issue 2840, NewScientist   LHC에서 입자와 반입자가 붕괴할 때 (이론상 예측되는 것과는) 차이점을 드러냈다. 권위를 유지하던 물리학의 표준모델로는 설명할 수 없을 지도 모른다.(이미지: 맥시밀리언 브라이스 / CERN, 유럽원자핵공동연구소) * LHC(Large Haron Collider, 거대 입자 가속기, 강입자 가속기 , 거대 하드론 가속기, 등등으로 해석되나 어느 것도 정확한 의미는 아니다.)   LHC에서 입자와 반입자가 붕괴할 때 (이론상 예측되는 것과는) 차이점을 드러냈다. 권위를 유지하던 물리학의 표준모델로는 설명할 수 없을 지도 모른다.      우리는 지금 우주의 기묘한 비대칭에 감사한다. 우리가 아는 한 우주는 동등하거나 거의 동등한 양의 물질과 반물질로 시작되었다. 그러나 물질과 반물질이 만나면 서로를 죽여버려, 이미 오래 전에 서로를 섬광을 방사하면서 파괴하고 별이나 행성, 그리고 인간을 구성할 것이 거의 남아 있지 않았을 것이다. 물론 그런 일은 일어나지 않았다.      물질을 (남기기) 위해서 우주를 왜곡시킨 특별한 무엇인가를 찾는 것이 최고의 물리학자들을 사로잡고 있다. 이 특별한 물리학 분야의 주목하지 않을 수 없는 강력한 신호가 스위스 제네바에 위치한 유럽원자핵 공동연구소(CERN)의 LHC에서 나타났다. LHC로부터의 새로운 물리학의 최초 신호이며 초대칭 이론에 힘이 실리게 될 것이다. 초대칭 이론에 따르면 우리가 이미 알고 있는 입자 이외에 거의 새로운 '입자 동물원'을 더하게 된다. "우리는 흥분하고 있습니다." 뉴욕주 이타카 코넬 대학의 유발 그로스만이 말한다.       묘하게도 새로운 발견은 LHC의 두 개의 주요 검지기 아틀라스와 CMS - 이 두 검지기에는 5천명의 연구원들이 열심히 작업을 하고 있다 - 에서 나온 것이 아니다. 대신 상대적으로 적은 수인 600명이 작업을 하고 있던 LHCb라는 검지기에서 나왔다. "LHCb에 자랑거리를 주었지요." 인디아나 노틀담 대학 이카로스 비지가 말한다.      표준모델은 현재 입자와 입자 상호간의 힘을 기술하는 최고의 이론이며 물질과 반물질의 행동에 아주 작은 차이만을 허용한다. 예를 들면, 물질을 구성하는 불안정한 입자는 딸입자(daughter particles)로 붕괴하는데, 상대가 되는 반물질 입자도 거의 같은 비율로 그렇게 된다.       그러나 지금 LHCb는 이들 붕괴 비율에 놀랄 정도의 큰 차이를 드러내었다. 짧은 붕괴 시간을 갖는 메존(meson)이라 불리는 입자들을 측정했는데 - 메존이라는 이름은 중간 정도의 질량을 갖는다는 의미를 갖고 있다 - 쿼크와 반쿼크 쌍으로 이루어져 있다. 특히 메존 중에 D0 라 불리는 메존과 이것의 반물질 짝인 반D0(anti-D0)를 연구했다. * 메존은 중간자라고 하는데 역시 정확한 의미는 아니므로 그냥 메존이라고 적는다.      각각은 보다 가벼운 또다른 메존으로 붕괴할 수 있는데, 파이온과 반파이온, 혹은 케이온과 반케이온으로 변한다. 만일 표준모델이 정확하다면, 처음 시작하는 메존이  D0 든 반D0 든 상관이 없어야 한다. 다시 말하면, 파이온과 반파이온을 얻을 확율은 어느 쪽이나 거의 같아야 하고, 케이온과 반케이온의 경우도 그래야 하는 것이다. 이것을 확인하기 위해서 연구원들이 D0 에서 생성되는 파이온과 반파이온 입자수를 D0 에서 생성되는 수에서 뺐다. 케이온과 반케이온의 경우도 같은 작업을 했으며, 이후에는 실험 상의 바이어스를 제거하기 위해서 다르므로  각각의 결과치에서 다시 서로를 뺐했다. 만일 붕괴 비율이 같았다면, 그 차이는 거의 0 라야 한다. * 이론상 각각의 결과치는 0에 가까운 값이어야 한다. 그러나 파이온과 케이온이라는 두 종류의 메존이므로 생성되는 종류에 따라 차이(바이어스)가 날 수 있으니 다시 각각의 결과를 가지고 같은 작업을 한 것이다.       결과는 예상과 달랐다. LHCb 팀이 발견한 것은 0.8 퍼센트의 차이였다. 옥스포드 대학의 매트 챨스가 지난 주에 프랑스 파리의 하드론 물리학 회의에서 이것을 발표하였다. 이 차이는 2007년 그로스만의 팀에서 계산(Physical Review D, Vol 75, Issue 3)한 표준모델 상에 허용치의 8배나 된다.   "확실히 이것은 매우 놀랍습니다." LHCb 팀의 멤버인 뉴욕 시라쿠스 대학 토마스 스콰르니키가 말한다.       결과는 LHCb에서 2011년 수집한 데이터의 약 반에 해당하는 양을 분석한 것을 기반으로 하는데, 통계적으로 유의수준 3.5 시그마(표준편차의 3.5배), 말하자면 통계적 오류가 발생할 확율이 2천분의 1 정도였다. "매우 흥미롭지만 (3.5 시그마 정도는) 결정적이지는 않습니다." 라고 그로스만이 말한다. 그리고 LHCb 연구원들은 이제 2011년 데이터의 나머지 반을 가지고 같은 분석을 다시 수행하고 있다고 스쿼르니키가 말한다.      (다시 분석하면) 결과를 강력하게 뒷받침하게 될 것이다. 그러나 새로운 발견으로 선언할 수 있으려면 5 시그마, 즉, 백칠십만분의 일 정도로 오류 확율을 낮추어야 한다. 그리고 이 결과가 사실로 판명되면 초대칭이론(SUSY, Super Symmetry)으로 설명해야 하는데, 이 이론은 표준모델에서 알려진 모든 입자들에 무거운 슈퍼 파트너를 추가한다.       이들 추가적인 입자들을 생성하려면 거대한 에너지가 필요하다. 그리고 여지껏 이들이 보이지 않았던 것을 설명해야 하는데, 양자역학의 불확정성 원리에서는 가상입자들이 공간 상에 순식간에 나타났다 사라지는 것을 허용한다.      일부 가상 입자들은 표준모델 상의 입자들이 붕괴할 때 간섭할 수 있는데, 그럼으로써 물질과 반물질 간에 비대칭성을 생성한다. 그로스만의 2007년 연구에서, 연구팀은 글루이노(글루온의 '무거운' 버전으로 강한 핵력의 전달자이다.)와 같은 초대칭 입자는 1% 가까이 비대칭성을 증가시킬 수 있어서 LHCb 츨정치를 설명할 수 있음을 발견했다. 초대칭성의 증거를 발견하게 되면 일부 성가진 문제를 해결할 수 있다. 초대칭성은 힉스 보존의 정확한 질량을 주는데, 이 괴물같은 입자는 모든 물질에 질량을 갖게 한다. 힉스 입자(의 존재)는 표준모델이 무너지지 않도록 지키고 있다.      초대칭이론은 또한 우주를 지탱하고 있는 미스테리인 암흑물질의 이상적인 후보를 제시한다. 함흑물질은 전체 우주 질량의 약 80%를 설명하기 위해서 도입된 개념이다.      아직 스콰르니키는 표준모델만으로도 LHCb 실험 결과를 설명할 수 있을 것이라고 말한다. 왜냐하면 근사값이 그로스만의 팀원들의 계산에서 나왔는데(다른 물리학자들이 이를 설명하려는 시도가 필요하다는 의미), 표준모델하의 비대칭성은 0.1%  미만이라고 예측한 것이었다. "저는 많은 이론물리학자들이 이런 큰 값이 정말로 표준모델 영역을 넘는 것인지 알아보려고 시도할 것이라 예상합니다."라고 그가 말한다.      게다가 표준모델로 결과를 설명하지 못한다 해도, 초대칭이론 이외의 다른 이론들도 설명할 수 있다. "내 예상으로는 몇 주 혹은 몇 달 정도 안에 이것을 설명하려는 또다른 모델을 연구하는 많은 논문을 보게 될 것입니다." 그로스만이 말한다.      만일 추가적인 연구들이 이같은 종류의 비대칭성이 초기 우주에 중요한 역할을 했음을 제시하게 된다면, 어째서 빅뱅 이후에 반물질보다 물질이 더 많이 나타나게 되었는지를 설명하는 쪽으로 진행될 것이다. 지금 이 비대칭성을 설명하기에는 크나큰 격차가 있다 - 표준모델 상의 반응에서 기존에 측정된 사소한 정도의 비대칭성은 크기가 너무 작아서 무려 100억 배나 큰 비대칭성을 성명할 수 없다. 스콰르니키는 새로운 물리학의 신호는 많은 것 중 단지 최초일 뿐이며 "나는 우리가 더욱 많은 것들을 발견하게 되기를 희망합니다."라고 말한다.   초대칭성을 찾고자 하는 간절함(Desperately seeking susy)   초대칭이론(SUSY)은 30년 동안 지지받던 표준모델을 물리학이 넘어서게 한다.      초대칭이론은 알려진 모든 입자들이 또다른 무거운 슈퍼파트너를 갖고 있다고 제시한다. 이들 무게가 무거운 입자(초대칭입자)는 LHC 상에서 물질과 반물질의 붕괴율 차이를 설명할 수 있다. (LHCb 결과 외에) 또다른 암시가 지난 7월 일리노이 바타비아에 있는 테바트론 충돌기에서 뮤온-반뮤온 붕괴시 뮤온이 더 많이 생성되었다는 보고에 있었는데, 여기서도 물질-반물질 비대칭성은 초대칭입자들이 원인일 수있음을 시사하고 있다.      아직 LHC는 글루이노와 같은 초대칭입자들의 직접적인 신호는 발견하지 못했는데, 입자들이 충돌할 때의 높은 에너지에서 글루이노가 생성되었어야 한다. 이것은 일부 물리학자들로 하여금 초대칭성이 정말 존재하는 가에 대한 의문을 갖게 한다.      단순히 LHC 데이터가 희귀한 초대칭입자를 찾을 수 있을만큼 충분한 데이터를 모으지 못했을 수도 있다. 아니면 LHC가 관측을 것을 예측하는 가장 간단한 초대칭이론보다는 더욱 복잡한 초대칭이론의 버전이 나타나려 하는지도 모른다.      LHCb에서의 물질-반물질 불일치는 그러한 예측들을 섬세하게 다듬어, LHC의 다른 두 대의 주 검지기인 아틀라스와 CMS가 특정 반응과 붕괴 생성물에 집중하여 초대칭성의 증거를 사냥하게 할 것이다.      "희망컨데 어디가 틀렸는지 지적하고 그것을 발견할 수 있다면 굉장한 일일 것입니다." 뉴욕주 이타가 코넬 대학의 유발 그로스만이 말한다.              - 네이버 블로그 <Physics of Dream> Hans 님의 글 중에서 sics of Dream   Physics of Dream 불일치(antimatter anomaly)가 새로운 물리학을 암시한다. ... NewScientist|작성자 HANS

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