"빨리 할 수도 있고, 싸게 할 수도 있고, 제대로 할 수도 있어. 우리가 제대로 해냈어." 이것은 Fermilab의 Collider Detector 책임자인 David Toback 이 W 보손이라는 입자의 질량을 측정 하기 위한 10년 간의 실험 결과를 발표하면서 개회사의 일부였습니다 .
저는 고에너지 입자 물리학자 이며 CDF로 알려진 일리노이 주 페르미랩(Fermilab)에서 충돌 감지기를 구축하고 운영한 수백 명의 과학자 팀의 일원입니다.
수조 번의 충돌과 수년간의 데이터 수집 및 수 처리 끝에 CDF 팀은 W 보존이 예상보다 약간 더 큰 질량 을 갖고 있음을 발견했습니다 . 그 차이는 미미하지만 2022년 4월 7일 사이언스 저널에 발표된 논문에 설명된 결과 는 입자 물리학의 세계 를 뜨겁게 달궜습니다 . 측정이 정확하다면 우주가 어떻게 작동하는지에 대한 물리학 퍼즐에 빠진 조각이 있다는 또 다른 강력한 신호 입니다.
약한 힘을 전달하는 입자
입자 물리학 의 표준 모델 은 우주의 기본 법칙에 대한 현재 과학의 가장 좋은 틀이며 전자기력, 약한 힘 및 강한 힘의 세 가지 기본 힘을 설명 합니다.
강한 힘은 원자핵을 하나로 묶습니다. 그러나 일부 핵은 불안정하고 방사성 붕괴를 겪으며 입자를 방출하여 천천히 에너지를 방출합니다. 이 과정은 약한 힘에 의해 진행되며 1900년대 초반부터 물리학자들은 원자가 붕괴하는 이유와 방법에 대한 설명을 모색했습니다.
표준 모델에 따르면 힘은 입자에 의해 전달됩니다. 1960년대에 일련의 이론적이고 실험적인 돌파구 가 W 및 Z 보존이라는 입자에 의해 약한 힘이 전달된다는 제안을 했습니다. 또한 세 번째 입자인 힉스 입자가 W 및 Z 입자를 포함한 다른 모든 입자에 질량을 부여한다고 가정했습니다.
1960년대 표준 모델의 출현 이후 과학자들은 예측되었지만 아직 발견되지 않은 입자 목록을 작성하고 그 특성을 측정해 왔습니다. 1983년 스위스 제네바에 있는 CERN 에서 두 번의 실험에서 W 보존의 존재에 대한 첫 번째 증거를 포착했습니다 . 브롬과 같은 대략 중간 크기의 원자의 질량을 갖는 것으로 나타났습니다.
2000년대까지 표준 모형을 완성하고 모든 것을 하나로 묶는 데 필요한 것은 단 하나의 조각, 즉 힉스 입자가 없었습니다. 나는 세 번의 연속 실험에서 힉스 입자를 찾는 것을 도왔고 마침내 2012년 CERN의 대형 강입자 충돌기에서 그것을 발견했습니다 .
표준 모델이 완성되었고 우리가 수행한 모든 측정이 예측과 아름답게 결합되었습니다.
W 보손 측정
표준 모델을 테스트하는 것은 재미있습니다. 매우 높은 에너지에서 입자를 함께 부수면 됩니다. 이러한 충돌은 잠시 더 무거운 입자를 생성한 다음 다시 가벼운 입자로 붕괴됩니다. 물리학자들은 이러한 충돌에서 생성된 입자의 특성과 상호 작용을 측정하기 위해 Fermilab 및 CERN과 같은 장소에서 거대하고 매우 민감한 감지기를 사용합니다.
CDF에서 W 보손은 proton과 antiproton이 충돌할 때 약 1천만 번 중 한 번 생성됩니다. 반양성자는 질량은 같지만 전하가 반대인 양성자의 반물질 버전입니다. 양성자는 쿼크라고 하는 더 작은 기본 입자로 이루어져 있고 반양성자는 반쿼크로 구성되어 있습니다. W 보손 을 생성하는 것은 쿼크와 반쿼크 간의 충돌 입니다. W 보존은 너무 빨리 붕괴되어 직접 측정할 수 없습니다. 그래서 물리학자들은 W 보존의 질량을 측정하기 위해 붕괴에서 생성된 에너지를 추적합니다.
과학자들이 W 보존의 증거를 처음 발견한 후 40년 동안 연속적인 실험을 통해 질량을 더욱 정확하게 측정할 수 있었습니다. 그러나 힉스 입자의 측정 이후(다른 모든 입자에 질량을 부여하기 때문에) 연구자들은 표준 모델에 의해 예측된 질량 에 대해 W 보존의 측정된 질량을 확인할 수 있었습니다 . 지금까지 예측과 실험은 항상 일치했습니다.
예상외로 무거움
Fermilab의 CDF 검출기는 W 보존을 정확하게 측정하는 데 탁월합니다. 2001년부터 2011년까지 가속기는 양성자와 반양성자를 수조 번 충돌시켜 수백만 W 보존을 생성하고 각 충돌에서 가능한 한 많은 데이터를 기록했습니다.
Fermilab 팀 은 2012년 데이터의 일부를 사용하여 초기 결과 를 발표했습니다. 우리는 질량이 약간 다르지만 예측에 가깝다는 것을 발견했습니다. 그런 다음 팀은 전체 데이터 세트를 분석하는 데 10년을 보냈습니다. 이 프로세스에는 수많은 내부 교차 점검과 수년간의 컴퓨터 시뮬레이션이 포함되었습니다. 분석에 편향이 끼어드는 것을 방지하기 위해 전체 계산이 완료될 때까지 아무도 결과를 볼 수 없었습니다.
2022년 4월 7일 물리학 세계가 마침내 그 결과를 보았을 때 우리는 모두 놀랐습니다. 물리학자들은 소립자 질량을 수백만 전자 볼트(MeV로 단축) 단위로 측정합니다. W 보손의 질량 은 80,433 MeV로 나타났습니다 . 이는 표준 모델이 예상하는 것보다 70 MeV 더 높은 것입니다. 이것은 작은 초과처럼 보일 수 있지만 측정은 9 MeV 이내로 정확합니다. 이것은 오차 한계의 거의 8배의 편차입니다. 동료들과 결과를 보았을 때 우리의 반응은 "와!"
이것이 표준 모델에 의미하는 것
W 보손의 측정된 질량이 표준 모델 내에서 예측된 질량과 일치하지 않는다는 사실은 세 가지를 의미할 수 있습니다. 수학이 잘못되었거나 측정이 잘못되었거나 표준 모델에서 누락된 것이 있습니다.
첫째, 수학. W 보존의 질량을 계산하기 위해 물리학자들은 힉스 보존의 질량을 사용합니다. CERN 실험을 통해 물리학자들은 힉스 입자의 질량 을 1/4% 이내로 측정할 수 있었습니다. 또한 이론 물리학자들은 수십 년 동안 W 보손 질량 계산에 대해 연구해 왔습니다 . 수학은 정교하지만 예측은 견고하고 변경될 가능성이 없습니다.
다음 가능성은 실험이나 분석의 결함입니다. 전 세계의 물리학자들은 이미 결과에 구멍을 뚫기 위해 결과를 검토하고 있습니다. 또한 CERN에서의 향후 실험은 결국 Fermilab 질량을 확인하거나 반박할 보다 정확한 결과를 얻을 수 있습니다. 그러나 내 생각에 이 실험은 현재 가능한 한 좋은 측정입니다.
그것은 마지막 선택을 남깁니다. 설명할 수 없는 입자나 힘이 W 보손의 질량을 위쪽으로 이동시키는 것입니다. 이 측정 이전에도 일부 이론가들은 관측된 편차를 초래할 잠재적인 새로운 입자 또는 힘을 제안 했습니다. 앞으로 몇 달, 몇 년 안에 W 보손의 수수께끼 같은 질량을 설명하려는 새로운 논문이 많이 나올 것으로 예상합니다.
입자 물리학자로서 나는 표준 모델 너머에 더 많은 물리학이 발견되기를 기다려야 한다고 자신합니다. 이 새로운 결과가 유효하다면 표준 모델과 실제 측정이 종종 완전히 일치 하지 않는다는 것을 보여주는 일련의 결과 중 최신 결과가 될 것입니다. 물리학자들에게 물질, 에너지, 공간 및 시간에 대한 완전한 이해를 계속 추구해야 하는 새로운 단서와 새로운 이유를 제공하는 것은 이러한 미스터리입니다.
John Conway 는 실험적인 고에너지 입자 물리학자이며 현재 일리노이주 Batavia에 있는 Fermilab Tevatron의 CDF와 스위스 제네바의 CERN에 있는 Large Hadron Collider의 CMS라는 두 가지 대규모 실험에 참여하고 있습니다. 그는 미국 에너지부와 미국 국립과학재단으로부터 자금을 지원받습니다.
이 기사는 Creative Commons 라이선스에 따라 The Conversation 에서 다시 게시되었습니다. 여기에서 원본 기사 를 찾을 수 있습니다 .
