전자의 수명은 우주 나이의 500경 배 이상
물리학의 세계에서는 전자가 기본적으로 사라지지 않는다는 전제가 있습니다. 이번에 그 전제를 뒤집을 가능성이 있는 실험이 이루어졌다. 하지만 결과적으로는 종래의 사고방식의 정확성이 다시 뒷받침되게 되었다. 그렇지만 그 실험에서 전자의 최단 수명이 지금까지 생각되었던 것보다 더 길다는 사실을 알게 되었다. 어쨌든 6.6×10의 28승=66000000000000000000000000000년이라는 엄청난 기간으로 우주의 나이와 비교해도 약 500경 배에 달한다.
Test of Electric Charge Conservation with Borexino
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.115.231802
Test of Electric Charge Conservation with Borexino
Scientists have placed new limits on how often electrons decay into neutrinos and photons, a reaction that---if it occurred---would violate the law of charge conservation.
journals.aps.org
Still Waiting For Electron Decay
https://physics.aps.org/articles/v8/s138
Still Waiting For Electron Decay
Scientists have placed new limits on how often electrons decay into neutrinos and photons, a reaction that—if it occurred—would violate the law of charge conservation.
physics.aps.org
전자는 아원자 입자 중에서 가장 가볍고 음의 전하를 가지고 있다. 내부구조가 없다고 여겨져 우주에 존재하는 가장 기본적인 요소라고 생각되고 있다.
그렇지만 다른 소립자도 붕괴해 가니 전자도 가끔은 어느 빈도로 붕괴할 것이라는 생각이 이 실험의 배경에 있다. 이탈리아에서 진행되는 입자물리학 실험인 Borexino를 진행하는 국제연구팀은 전자가 더 가벼운 입자로 붕괴되는 징후를 찾기 위해 방대한 데이터를 모았다. 그 결과 전자붕괴의 증거는 발견되지 않았다. 연구팀에도 상정 내였던 것 같다.
하지만 그것은 실험 실패라는 것이 아니라 오히려 좋은 것인데 왜냐하면 지금까지의 전제를 뒤집는 증거가 발견되지 않았다는 것은 반대로 기존 물리학의 뒷받침이 되기 때문이다. 그들이 만약 전자가 광자나 중성미자와 같은 저질량의 소립자로 붕괴되는 증거를 발견했다면 전하 보존법칙이 깨져 버린다. 그러한 발견이 있으면 기존의 표준모델을 넘어선 새로운 물리학이 필요하다.
이 실험의 결과는 그것만이 아니다. 연구팀은 역사상 가장 정확하게 전자의 수명을 측정하는 데 성공했다. 그들의 계산에 의하면 지금 있는 전자는 향후 6.6×10의 28승년 존재한다고 예측했다. 이 연구의 세부사항은 학술지 Physical Review Letters에 게재되어 있다.
Borexino는 석유 기반 액체가 들어있는 구조물로 구성된다. 그 중 거의 질량이 없는 중성입자인 중성미자가 전자에 부딪혀 액체 중의 원자로부터 해방하면 액체가 빛나는 구조이다. 검지기인 Borexino에는 광전자 증배관이 약 2,000개 있으며 거기서 빛을 증폭하고 감지한다. 연구팀은 전자가 광자 또는 중성미자로 붕괴하여 생성되는 광자에 대한 감지기의 감도를 계산했다. 연구팀은 전자의 정지질량의 절반에 해당하는 256킬로 전자볼트 근처의 에너지가 있는 광자의 ‘이벤트’를 찾았다.
그들은 총 408일의 데이터를 분석했지만 아무것도 발견하지 못했다. 그렇지만 그들은 그 실험을 통해 전자의 수명이 기존에 생각하고 있던 것보다 길다고 판단할 수 있었다.
단지 전자의 수명이 길다고 해도 실제로 그만큼 오랫동안 계속 존재한다는 의미는 아니다. 우선 우주 그 자체가 그렇게 앞까지 존재하지 않을 것이다. 만약 존재하고 있었다고 해도, 예를 들면 빅 립(우주 종말 가설의 하나)이 실제로 일어나 우주의 모든 것이 흩어져 버리면 전자 등의 입자의 기본적 성질은 완전히 다르게 되어 버릴 가능성이 높다.
이번 발견을 더욱 엄밀하게 말하면 전자가 존속할 수 있는 최단 시간의 추정치가 100배가 되었다는 것이다. 원래의 값은 1998년 같은 실험으로 추정된 6.6×10의 26승년이었던 것이, 6.6×10의 28승년으로 바뀌었다. 이것은 즉, 만일 전자가 붕괴한다고 해도 최소 6.6×10의 28승년이 걸린다는 것이다.
캘리포니아 공과대학의 물리학 교수인 Sean Carroll 씨는 "붕괴는 입자물리학에서 매우 자연스러운 현상으로 더 무거운 입자는 더 가벼운 입자로 붕괴하는 경향이 있다. 예를 들어 단독 중성자는 양성자와 전자 그리고 반중성미자로 몇 분 안에 붕괴된다. 그것은 우라늄과 같은 방사성 원자핵이 붕괴하는 현상의 소립자 버전"이라고 설명했다. "그러나 결코 일어나지 않는 것처럼 보이는 몇 가지가 있는데 이는 전하 보존법칙에 나타난다. 예를 들어 전하의 합계는 변하지 않는다. 또 바리온 수(양자와 중성자의 합으로부터 반양자와 반중성자의 합을 뺀 것), 렙톤 수(전자와 중성미자의 수의 합으로부터 그 반입자를 뺀 것)도 변하지 않는다. 이것이 중성자의 붕괴로도 채워진다는 것을 주목하면 붕괴 전에는 중성자가 하나 있고 전하는 0, 바리온 수 = 1, 렙톤 수 = 0입니다. 붕괴 후에는 전하 = 0(양성자가 +1, 전자가 -1, 반 중성미자 = 0), 바리온 수 = 1(양성자 = 1, 전자와 반중성미자 = 0), 렙톤 수 = 0(양성자 = 0, 전자 = 1, 반중성미자 = -1)이다."라며 "바리온 수와 렙톤 수는 어떠한 실험에서도 변화를 보이지 않았다. 만약 그런 발견이 있으면 노벨상이다. 하지만 우리는 이론적인 관점에서 그것이 변화할 가능성이 있고 우주의 초기에는 실제로 변화했다고 생각하고 있다. 그러면 현재 우주에는 반물질보다 물질이 많다는 설명이 쉬워진다. 또한 만약 전하가 보존되지 않는다면 그것은 매우 충격적이다. 전하가 보존되기 때문에, 모두가 전자는 붕괴하지 않는다고 생각하고 있으니까"라고 Carroll 씨는 설명했다.
Carroll 씨는 "전자보다 가벼운 입자가 전기적으로 중성인 것은 중성미자, 광자, 글루온, 중력자로 그 밖에 가볍고 전하를 띤 입자가 있으면 슬슬 발견되고 있어도 좋을 것"이라며 전자가 붕괴되어 그것이 될 것 같은 입자는 없을 것이라고 보았다.