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최근 특이 수소(exotic hydrogen)에 대한 레이저 분광법(laser spectroscopy)을 통해 양성자(proton) 반지름이 확인될 수 있었다. 3년 전의 연구 결과는 세상을 많이 놀라게 하였는데, 음으로 하전된 뮤온(muon)으로 핵을 선회하는 전자가 대체된 특이 수소에서 측정된 양성자의 크기가 일반적인 수소 혹은 전자-양성자 산란을 통한 이전의 연구 결과에서보다 작게 측정되었다. 최근 동일 연구진에 의한 새로운 측정 결과를 통해 전하 반지름이 재확인될 수 있었고, 뮤온 수소의 레이저 분광법을 통해 양성자의 자기 반지름이 최초로 확인될 수 있었다.

실험은 뮤온의 필요량을 제공할 수 있는 세계에서 유일한 장소인 스위스 폴 슈어러 연구소(Paul Scherrer Institut)에서 수행되었다. 금번 연구는 독일 막스 플랑크 양자 광학 연구소(Max Planck Institute of Quantum Optics), 스위스 연방 연구소(Swiss Federal Institute of Technology), 프리부르그대(University of Fribourg), 슈트트가르트대(Universitat Stuttgart)와 공조되었다. 새로운 연구 결과는 관찰된 불일치가 표준 물리에 의해 설명될 수 있을지에 대한 논쟁을 불러일으키게 되었다.

수소 원자는 기본적인 물리 법칙 연구에 있어 중요한 역할을 담당한다. 수소는 음으로 하전되어 선회하는 전자 그리고 하나의 양성자로 구성되는데, 1913년 보어가 제안한 분광학 데이터를 설명할 수 있었던 모델이다. 원자의 가장 단순한 에너지 준위(energy level)는 양자 전자동역학 이론으로부터 완벽하게 예측될 수 있었다. 하지만, 점과 같은 전자와 달리 양성자는 소위 글루온으로 결속된 세 개의 쿼크로 구성된 한정된 크기를 가지고 있는 객체이다. 따라서, 전하뿐 아니라 양성자의 자성은 특정 부피에 대해 분포된다. 양성자의 확대된 성질은 수소에서 에너지 준위의 이동을 일으킨다. 따라서, 전기 및 자기 반지름은 준위 이동의 측정으로부터 추측될 수 있다.

2010년 뮤온 수소에서 소위 2S 에너지 준위의 이동에 대한 최초의 분광학적 연구 결과가 보고되었다. 특이 원자는 뮤온으로 일반적인 수소를 가격함으로써 생성되었다. 뮤온은 질량을 제외하곤 전자처럼 거동하는데, 전자보다 200백 배나 무겁다. 뮤온의 원자 궤도는 일반적인 수소 원자에 존재하는 전자 궤도보다 양성자에 근접하게 위치하게 된다. 따라서, 양성자 크기에 대해 뮤온의 에너지 준위에 대한 감도가 크며, 보다 강한 에너지 준위 이동이 나타난다. 준위 이동을 측정하는 것은 매우 중요한데, 뮤온 수소는 매우 짧은 수명을 가지고 있기 때문에 공명 전이를 위한 광펄스는 뮤온 검출 후 나노초 내에 수소에 인가되어야 한다. 새로운 디스크 레이저 기술은 이러한 요구사항을 충족하는데 있어 매우 중요하다. 공명을 전이시키는데 필요한 레이저는 막스 플랑크 연구소에서 개발되었다.

에너지 이동은 또 다른 전이를 위해 결정된다. 이는 양성자의 전하 반지름에 대한 새로운 측정 결과를 야기하며, 일반적인 수소 혹은 전자-양성자 산란에 의해 측정된 기존 반지름과 일치되지 않음이 재확인되었다.

새로운 측정 결과를 통해 뮤온 수소의 레이저 분광학에 의해 양성자의 자기 반지름이 결정될 수 있었는데, 이때의 값은 0.87 펨토미터였다. 뮤온 수소의 레이저 분광법은 향후 자기 양성자 반지름을 보다 정확하게 측정할 수 있는 잠재성을 가지고 있다.

전 세계의 물리학자들은 양성자 크기의 수수께끼에 대한 해결안을 찾고 있다. 일반적 수소 및 전자-양성자 산란에 의한 이전 측정 결과들은 재분석되고 있으며, 상이한 이론을 가지고 있는 많은 이론학자들은 이러한 불일치를 설명할 방법을 제시하고 있다. 매우 흥미로운 제안은 표준 모델을 뛰어넘는 물리 법칙에 의해 불일치가 설명될 수 있다는 것이다. 다른 설명은 보다 복잡한 양성자 구조를 제안한다. 새로운 측정 결과는 이러한 가능성을 확인할 필요가 있다.

[원문]
Proton Structure from the Measurement of 2S-2P Transition Frequencies of Muonic Hydrogen, Science 25 January 2013: Vol. 339 no. 6118 pp. 417-420 DOI: 10.1126/science.1230016