수십 년 동안 물리학자들은 뮤온이라는 작은 아원자 입자를 응시하며 다섯 번째 힘의 가능성에 신나게 속삭여 왔다. 이제 펜실베이니아 주립대 물리학자가 이끄는 국제 연구팀이 그 열기에 찬물을 끼얹었다. 네이처 저널에 발표된 그들의 연구 결과는 뮤온의 자기적 행동에서 오랫동안 관찰된 불일치가 새로운 물리학의 신호가 아니라 단지 수학 문제였음을 시사한다.
미스터리는 뮤온을 중심으로 전개되었다. 뮤온은 수명이 짧은 입자로, 기본적으로 전자의 덩치 큰 사촌이며 무게가 약 200배 더 나간다. 60년 넘게 뮤온의 자기 모멘트(작은 자석처럼 행동하는 정도) 측정값이 알려진 모든 기본 입자와 힘의 규칙서인 표준 모형의 예측과 일치하지 않는 것으로 보였다. 이 불일치는 모두가 미발견 입자나 평소의 네 가지 너머에 있는 화려한 새로운 '다섯 번째 힘'을 기대하게 만들었다.
"지난 60년 동안 많은 계산이 있었고, 더 정밀해질수록 모두 불일치와 알려진 물리 법칙을 뒤엎을 새로운 상호작용을 가리켰습니다."라고 펜실베이니아 주립대 물리학 석좌교수이자 연구의 주저자인 졸탄 포도르가 말했다. "우리는 이 불일치 양을 계산하는 새로운 방법을 적용했고, 그것이 존재하지 않음을 보여주었습니다. 우리가 바랐던 이 새로운 상호작용은 그냥 존재하지 않습니다. 기존 상호작용이 그 값을 완전히 설명할 수 있습니다."
연구팀은 계산을 개선하는 데 10년 이상을 보냈고, 마침내 이론 예측과 실험 측정을 0.5 표준편차 미만으로 일치시켰다. 이 결과는 표준 모형을 소수점 11자리까지 확인하며, 이 특정 측정에 미지의 물리학이 숨어 있을 가능성을 크게 좁혔다.
"사람들은 이 발견을 한 기분이 어떠냐고 묻는데, 솔직히 말하면 좀 슬픕니다."라고 포도르는 인정했다. "이 양을 계산하기 시작했을 때, 우리는 새로운 다섯 번째 힘에 대한 훌륭하고 신뢰할 만한 계산을 얻을 것이라고 생각했습니다. 대신 다섯 번째 힘은 없다는 것을 발견했습니다. 우리는 표준 모형뿐만 아니라 표준 모형이 세워진 기초인 양자장 이론에 대한 매우 정밀한 증명을 찾았습니다."
연구는 뮤온의 이상 자기 모멘트(g−2)에 초점을 맞췄다. 이는 예상값 2에서 아주 약간 벗어난 값이다. 뮤온은 전자보다 무겁기 때문에 빈 공간에서 나타났다 사라지는 입자들인 일시적인 양자 효과에 비정상적으로 민감하다. 1960~70년대 CERN, 이후 브룩헤이븐 국립연구소, 그리고 최근 페르미 국립가속기연구소의 실험은 모두 이를 놀라운 정밀도로 측정하여 기초 물리학 브레이크스루 상을 받았다. 하지만 그 숫자는 이론과 결코 일치하지 않았다. 지금까지는.
주된 골칫거리는 네 가지 알려진 힘 중 가장 강력한 강력에서 비롯되었다. 강력은 양성자와 중성자 내부에서 쿼크를 결합시킨다. 중력이나 전자기력과 달리 강력은 입자가 멀어질수록 더 강해진다. 마치 당길수록 조여지는 고무줄처럼. 뮤온의 행동을 정확히 예측하기 위해 연구팀은 격자 양자 색역학을 사용했다. 이 계산 기법은 시공간을 매우 미세한 격자로 나누어 슈퍼컴퓨터에서 강력을 시뮬레이션한다.
"기존 방법론은 수천 개의 실험 결과를 수집하고 재해석하여 뮤온의 자기 모멘트라는 단일 숫자를 얻는 것이었습니다."라고 포도르가 말했다. "우리의 접근 방식은 완전히 달랐습니다. 우리는 시공간을 매우 작은 셀, 즉 격자로 나누고 그 위에서 표준 모형의 방정식을 풀었습니다."
지난 10년 동안 연구팀은 짧고 중간 거리에 대한 격자 계산과 더 먼 거리에 대한 매우 신뢰할 수 있는 실험 측정을 결합했으며, 이전 연구보다 더 미세한 격자를 사용하여 불확실성을 줄였다. 최종 계산은 현재까지 뮤온의 자기 모멘트에 대한 가장 정확한 결정을 나타낸다.