어린 시절 놀이 중 하나로 팽이 돌리기가 있었습니다. 기세 좋게 도는 동안은 똑바로 서 있지만 회전속도가 느려지면 축이 기울어져 흔들리기 시작합니다. 이 움직임을 세차운동이라고 합니다. 실은 크기도 형태도 모를 정도의 작은 소립자도 세차운동을 하고 있습니다. 우리는 이 소립자의 세차운동을 초정밀하게 측정함으로써 우주형성의 수수께끼를 푸는 단서를 얻으려고 노력하고 있습니다.
보통의 팽이와 달리 회전부분이 테두리에 포함되어 중심부만 도는 팽이를 지구팽이라고 합니다. 베어링 부분이 정밀하게 만들어져 마찰이 작기 때문에 지구팽이를 사용한 '줄다리기'나, 외측의 프레임을 잡아 따로 다른 장소에 옮길 수도 있습니다.
회전하는 지구팽이를 부드럽게 책상에 놓으면 그 자리에서 계속 돕니다. 하지만 잠시 후 축이 약간 기울어지면 세차운동을 시작합니다. 팽이 자체가 회전을 계속하면서도 기울어진 축이 크게 원추형을 그립니다. 보통의 팽이에서도 세차운동을 일어나지만 곧 멈춰 버립니다. 지구팽이라면 세차운동을 한 채 오랫동안 계속 돌아갑니다.
이 세차운동은 중력으로 인해 발생합니다. 우주공간이라면 중력이 매우 작기 때문에 세차운동을 시작하지 않고 팽이는 언제까지도 계속 돌게 됩니다.
소립자도 팽이의 세차운동과 비슷한 움직임을 합니다. 그것은 '스핀'이라는 소립자의 특성으로 인해 발생합니다. 스핀은 소립자의 자전과 같은 것이라고도 생각할 수 있지만 신기하게도 하나의 소립자의 스핀은 상향이나 하향 상태 중 하나를 취할 수 있습니다.
스핀을 가진 소립자는 스핀의 방향을 따라 '작은 자석'을 형성합니다. 이 때문에 스핀을 가진 소립자를 자기장에 넣으면 소입자는 세차운동을 시작합니다. 팽이를 돌리면 중력의 영향으로 세차운동을 시작하는 것과 같습니다.
전자의 동료로 질량이 전자의 약 200배인 뮤온을 사용하면 이 세차운동의 모습을 정밀하게 측정할 수 있습니다. 뮤온은 정지하고 있으면 2.2마이크로초의 수명을 다해 1개의 전자와 2개의 중성미자라는 소립자로 붕괴합니다. 자기장 안이라면 붕괴하기까지의 시간에 세차운동으로 스핀의 방향이 빙글빙글 바뀝니다. 스핀이 회전하는 모습을 관찰할 수는 없지만 붕괴했을 때 나오는 전자의 방향을 측정하면 붕괴했을 때 스핀이 어느 쪽을 향하고 있었는지 알 수 있습니다. 세차운동의 측정에는 이 성질을 이용합니다. 스핀의 방향을 갖추어 뮤온을 자석 속으로 던져 전자가 나올 때까지의 시간과 나오는 방향을 측정하는 것입니다. 1마이크로초 후에 나온 전자는 60도의 방향, 1.1마이크로초 후에 나온 전자는 120도의 방향이라는 식입니다. 이것을 많이 반복하면 컷이 연결되어 스핀의 세차운동 모습을 알 수 있습니다.
매우 작고, 구형인지 선인지, 혹은 단순한 점에 지나지 않는지 모르는 소입자이지만 실은 이런 식으로 빙글빙글 돌고 있습니다. 1997년부터 2001년까지 세차운동의 정밀 측정은 미국의 브룩헤이븐 국립연구소에서 실시되었습니다. 이에 따르면 '뮤온 자신이 가지는 자석의 강도'가 이론에 근거한 계산과 측정결과 사이에는 오차의 범위를 크게 넘어 차이가 보였습니다.
무엇이 원인으로 어긋나는 것일까? 한 가지 가능성은 소립자 물리학자가 아직 모르는 반응이 있고 그것이 올바르게 이론계산에 통합되지 않았다는 것입니다. 이론계산에는 우주의 초기부터 지금까지 일어날 수 있는 소입자의 반응을 모두 받아들여 계산할 필요가 있는데 어쩌면 아직 미지의 반응이 있을지도 모릅니다. 그 밖에도 실험에서 어떠한 간과가 것이 있거나 통계적인 변동으로 실험결과가 실제 값에서 벗어났을 가능성도 있습니다.
이를 위해서는 더 높은 정확도로 실험해야 합니다. 현재 미국의 페르미 국립연구소에서 새로운 실험이 진행되고 있으며 J-PARC에서도 독자적인 실험 준비가 진행되어 전세계 연구자들이 결과를 기다리고 있습니다.
출처 참조 번역
- Wikipedia
- ミューオンはどっち向きに回ってるの？~素粒子の歳差運動~
https://www.kek.jp/ja/newsroom/2020/04/17/1200/
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