도파관에서 보스-아인슈타인 응축체를 집중시키는 방법
Synopsis: How to Focus a Bose-Einstein Condensate in a Waveguide

새로운 “렌즈” 기술은 작은 도파관 내부에 초저온 원자 구름이 퍼지는 것을 막아준다.

초저온 원자 구름은 빛의 광선이 공간에 퍼지는 것처럼 시간이 지남에 따라 퍼지지만 전자기 “렌즈”는 구름을 “집중”하고 운동 에너지를 줄일 수 있다. 피코 켈빈(pK) 범위에서 달성된 가장 낮은 에너지는 원자가 몇 초 동안 자유롭게 떨어질 수 있는 대형 시설이 필요하다. 이제 연구자들은 지름이 1 밀리미터 미만인 고리 모양 도파관에 원자를 사용하여 이 영역에서 작동하는 렌즈를 시연했다. 작은 공간에서 이러한 “물질파”를 조작하는 것은 고정밀 탐색과 같은 목적으로 양자 효과를 활용하는 데 필수적이다. 그리스 Hellas의 연구 및 기술 재단의 일부인 전자 구조 및 레이저 연구소의 Wolf von Klitzing이 이끄는 연구팀은 수백 마이크로미터 너비의 루비듐 원자 BEC(보스-아인슈타인 응축체)를 고리 모양의 전자기 트랩에, 마치 룰렛 바퀴의 구슬과 비슷하게 놓았다. “구슬” 이동을 시작하기 위해 연구팀은 고리를 원자쪽으로 기울인 다음 원래의 수직축을 중심으로 회전하여 가장 낮은 지점이 약 200 ms 동안 최대 10 Hz로 회전하도록 했다. 다음으로, 그들은 고리를 평평하게 하고 구름이 주위를 맴돌면서 자유롭게 퍼지게 했다. 마지막으로, 연구팀은 17 ms 동안 회전하는 고리를 원자쪽으로 다시 기울여 BEC를 집중했다.

연구원들은 기울기 각도가 광학 렌즈의 초점 강도와 유사하다는 것을 보여주었다. 기울기가 너무 크면 의도한 초점면 앞에 빛을 집중시키는 지나치게 강력한 렌즈처럼 구름이 잠시 줄어들었다가 커졌다. 약 5°의 이상적인 기울기는 거의 1초 동안 구름을 고정된 크기로 유지하고 팽창 에너지를 800 pK로 줄였다.

Atomtronic Matter-Wave Lensing, Saurabh Pandey, Hector Mas, Georgios Vasilakis, and Wolf von Klitzing, Phys. Rev. Lett. 126, 170402 (2021), Published April 28, 2021.

우주의 어두운 면에 대한 새로운 시각
Synopsis: A New View of the Universe’s Dark Side

암흑 에너지 조사 협력(Dark Energy Survey Collaboration)은 더 많은 은하계 측정값을 정확하게 포착하기 위해 우주 모형을 업데이트했다.

표준 우주론 모형은 팽창 속도의 지배적인 요소로 암흑 물질과 암흑 에너지라는 두 가지 신비한 실체를 가지고 우주가 가속 속도로 팽창하는 것으로 설명한다. 이 암흑 실체의 영향을 더 잘 이해하기 위해 연구자들은 모든 우주 물질의 분포에 대한 단서를 제공할 우주 은하들의 지도를 제작하기 시작했다. 이제 이 작업 이면의 협업인 암흑 에너지 조사(Dark Energy Survey, DES)는 이런 지도에서 만든 세 가지 유형의 측정을 동시에 통합할 수 있는 모형을 구축했다. 그렇게 함으로써, 그룹은 암흑 물질과 암흑 에너지의 분포와 진화를 설명하는 표준-우주론-모형 매개 변수에 대한 새로운 제약을 설정한다.

협력에서는 DES의 관측 첫 해 데이터를 사용하여 우주 전체에 걸쳐 규칙적인 암흑 물질의 분포 변화를 추적했다. 그들은 은하의 분포, 성단을 형성하는 은하의 분포, 지구에 더 가까운 물질에 의한 멀리 떨어진 은하의 빛 왜곡의 세 가지 측정 간의 관계를 포착하는 우주 문제의 진화를 위해 업데이트된 모형을 사용하여 이전 분석을 개선했다.

이 이론적 진보와 함께 협력은 우주의 보통 물질과 암흑 물질의 에너지 밀도와 그 밀도의 변동과 관련된 매개 변수에 제약을 두었다. 수정된 제약 조건은 이러한 매개 변수의 허용 값을 이전 분석에 비해 20%까지 좁힌다. 다음으로, 협업은 6년간의 조사에서 다른 해의 데이터를 통합하여 암흑 물질 및 암흑 에너지 측정을 더욱 세분화할 계획이다.

Dark Energy Survey Year 1 Results: Cosmological Constraints from Cluster Abundances, Weak Lensing, and Galaxy Correlations, C. To et al. (DES Collaboration), Phys. Rev. Lett. 126, 141301 (2021), Published April 6, 2021.

표준 모형에 대한 뮤온의 증가하는 도전
Viewpoint: Muon’s Escalating Challenge to the Standard Model

뮤온 자기 모멘트의 측정은 이론적 예측으로 이전에 보고된 긴장을 강화하여 표준 모형의 정밀 테스트의 새로운 시대를 열었다.

20년 전 미국 브룩헤이븐 뮤온 \(\small g-2\) 실험은 입자 물리학의 표준 모형(SM)을 기반으로 한 계산으로 수백만 분의 일 정도로 동의되지 않는 뮤온의 변칙적 자기 모멘트 값을 측정했다. 물리학자들은 SM이 불완전하다는 것을 오랫동안 이해했지만 뮤온 \(\small g-2\) 실험은 매우 정확한 양자 역학적 계산과 기본 상수와 같이 정밀한 측정 사이에 측정 가능한 불일치를 제공했다. 2.7-시그마의 불일치는 다른 주요 시설(Large Electron-Positron Collider에서 Tevatron에 이르는)에서 SM이 얼마나 잘 작동하는가에 관한 뉴스만 나오는 시대에 흥미롭다. 통계적 불확실성을 크게 줄이기 위해 더 높은 세기의 뮤온 빔이 필요하고, 시스템의 불확실성을 줄이려면 주요 공학적인 개선이 필요했기 때문에 데이터 수집은 2001년 실행 후 중단되었다. 한편 이론가들은 계산의 정확성을 지속적으로 개선하여 2020년 현재 3.7 시그마로 불일치의 유의성을 높였다. 이제 이 딜레마의 실험적 측면을 다시 살펴볼 때가 분명했다. 

오늘날 미국 Fermilab의 차세대 뮤온 \(\small g-2\) 실험은 20년 전에 발견된 불일치의 평균값을 확인하는 첫 번째 결과를 발표한다. 이 새로운 독립된 측정을 통해 세계 평균은 이제 SM과 더욱 설득력있는 4.2 시그마의 차이가 있다. 이런 불일치는 초대칭, 암흑 물질 및 중성미자 같은 많은 자연적 SM 확장에서 고려되는 새로운 입자 및 새로운 상호작용의 영향일 수 있다.

입자의 자기 모멘트는 스핀과 \(\small g\)-인자에 비례하며, 이는 반 정수 스핀을 갖는 점 입자의 경우 정확히 2이다. 그러나 뮤온은 가상 입자와 지속적으로 상호 작용하는데, 가상 입자는 믿을 수 없을 정도로 정밀하게 계산할 수 있는 양자 역학적 확률로 존재의 안팎으로 깜박거린다. 이 변동하는 입자 구름은 \(\small g\)-인자를 바꾼다. 2와 다른 양은 \(\small a=(g-2)/2\)의 차이로 묘사되며, 이것이 실험을 뮤온 \(\small g-2\)라고 부르는 이유이다. 뮤온(양자역학적 자전(스핀)하는 팽이)이 자기장에 놓이면, 그 자전(스핀)은 가상 입자의 전하 분포에 따라 달라지는 주파수에서 자기장 방향에 대해 세차운동한다. 세차 운동 주파수를 측정하면 이상 현상과 가상 입자의 전체 효과를 확인할 수 있다.

Fermilab 뮤온 \(\small g-2\) 실험은 브룩헤이븐에서 사용한 것과 동일한 기술을 따른다. 자전(스핀) 방향이 운동 방향과 일치하는 편광된 뮤온은 직경 14.2 m의 저장 고리에서 주입되어 상대론적으로 늘어난 수명 덕분에 수천 번 회전한다. 뮤온은 붕괴함에 따라 고리의 안쪽 둘레를 감싸는 열량계에 의해 감지되는 양전자를 뱉어낸다. 고리 내부에서 뮤온이 원을 그리도록 유지하는 1.45 T 자기장은 자전(스핀) 세차 운동을 일으키는 자기 돌림힘을 제공한다.

\(\small g\) 가 정확히 2이면 세차 운동 주기는 사이클로트론 주기와 같고 뮤온 자전(스핀) 방향은 뮤온 운동량 벡터와 발을 맞추어 회전한다. 대신, 자전(스핀) 방향이 점차적으로 동기화되지 않아 운동량과 재조정되기 전에 약 27 회전이 걸린다. 이 주파수 차이는 비정상 세차 \(\small \omega_a\)이다. 붕괴 양전자는 뮤온 자전(스핀) 방향으로 우선적으로 방출되기 때문에 자전(스핀) 방향이 운동량과 일치할 때 스펙트럼이 더 높은 에너지로 이동한다. 이 변화는 열량계가 감지하는 양전자의 수를 조절한다.

저장 고리는 현대 공학의 경이이다. 동심원 초전도 코일 쌍은 고리 내부에 균일한 수직 자기장을 만들고 4개의 정전기 4중 극판은 초점을 맞추는 구성 요소이다. 고리의 설계는 3.09 GeV/c의 운동량을 가진 뮤온에 최적화되었다. 이 “마법의 운동량”에서 정전기 4중 극판은 세차 주파수를 1차적으로 방해하지 않기 때문이다. 이 특성은 연구원들이 다른 설계 선택을 탐색하는 대신 원래 브룩헤이븐 고리를 유지하기로 선택한 이점을 제공했다. 2013년 고리가 해체되고 섬세한 초전도 코일이 브룩헤이븐에서 Fermilab으로 바다와 육지로 배송되었다. 72개의 개별 극 부분의 정밀한 위치 지정과 프로그래밍 가능한 전류 조정 추가 덕분에 재조립된 자석은 브룩헤이븐에서 이전에 구현된 것보다 방위각 자기장 균일성이 3배 향상되었다.

이 이상은 실험으로 고정밀로 측정된 두 주파수의 비율로 기록될 수 있다. 첫 번째는 열량계 응답 분석에서 유도된 비정상 세차 \(\small \omega_a\)의 측정이다. 두 번째는 고정 및 이동 가능한 NMR 탐침에 포함된 양성자의 세차 주파수 \(\small \omega_p\) 에서 유도된 뮤온의 경로를 따라 자기장을 측정한 것이다. 각 뮤온 경로는 약간 다른 자기장을 샘플링하고 각 열량계는 서로 다른 뮤온 궤도에 대해 평균화된 양전자 변조를 측정하기 때문에 두 주파수를 모두 유도하려면 뮤온 빔 동역학에 대한 매우 정확한 지식이 필요하다. 연구자들은 맴돌이 전류와 기계적 진동에 대한 수정, 그리고 양전자를 뮤온 부모로부터 다시 추적하는 빨대 용기 감지기의 데이터를 사용하여 광범위한 시늉내기를 통해 이러한 정보를 얻었다. 이 이상은 \(\small R^\prime = \omega_a / \tilde{\omega}^\prime_p\) 비율로 기록될 수 있으며, 여기서 \(\small \tilde{\omega}^\prime_p\)는 \(\small \omega_p\)에서 유도된, 보정되고 뮤온 가중치가 반영된 자기장 평균 주파수이다. \(\small R^\prime\)의 분모에 대한 분자의 구해진 정밀도(각각 438 ppb 및 56 ppb)는 이상 판정에서 460 ppb의 정밀도를 나타낸다.

\(\small R^\prime\)이 주파수의 비율이라는 사실은 연구자가 무의식적으로 분석을 조정하여 특정 답변을 선호하는 것을 방지하도록 설계된 새로운 암검 과정으로 이어졌다. 협업 연구진 외부의 두 명의 문지기가 \(\small \omega_a\)를 보정하는 데 사용되는 시계에 비밀 주파수 차감값을 적용하여 데이터 분석이 완료된 후에만 차감값을 표시했다. 이전 결과의 확인은 결코 잊혀진 결론이 아니었다. 브룩헤이븐에서 비슷한 과정을 겪은 사람으로서 마침내 데이터를 공개하는 것이 얼마나 흥미롭고 다소 끔찍한 일인지 알고 있다. 일단 “상자를 열면” 답변을 철회하거나 수정할 수 없으므로 모든 시스템의 오류 원인이 설명되어 있음을 신뢰해야 한다.

Fermilab의 새로운 결과는 브룩헤이븐에서 얻은 답이 일부 검토되지 않은 체계의 인공물이 아니라 SM을 넘어선 물리학을 처음 엿볼 수 있다는 강력한 증거를 제공한다. 오늘 발표된 결과는 2018년 결과를 기반으로 하지만 2019년과 2020년의 데이터는 이미 분석 중이다. 우리는 \(\small C~PT\) 위반에서 Lorentz 불변에 이르기까지 다른 근본적인 질문에 대한 새로운 통찰력을 제공할 긍정 및 부정 뮤온을 모두 포함하는 일련의 고정밀 결과를 기대할 수 있다. 이 미래의 뮤온 \(\small g-2\) 캠페인은 SM이 부족한 7-시그마 중요성을 달성할 가능성과 함께 실험 정확도를 4배 향상시킬 것이다.

\(\small g-2\)를 측정하기 위해 근본적으로 다른 기술을 사용하는 J-PARC의 E34 실험과 같은 다른 계획된 실험은 향후 10년 동안 관여하게 될 것이다. E34는 또한 뮤온 전기 쌍극자 모멘트를 측정하여 SM 편차에 대한 보완 창을 제공한다. 또한, 뮤온 \(\small g-2\) 이상은 SM의 “균열”을 암시하는 데 혼자가 아니다. 이러한 균열은 LHCb가 뷰티 쿼크 붕괴에서 렙톤 보편성의 붕괴에 대한 3.1-시그마 관찰을 통해 더욱 넓어졌다. 그러한 이상을 엿볼 때마다 우리 우주를 지배하는 궁극적인 물리학에 대한 새로운 단서를 제공한다. SM은 지금까지 최고의 “효과적인 이론”일 뿐이다.

Priscilla Cushman, 미국 University of Minnesota

Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm, B. Abi et al. (Muon  g-2 Collaboration), Phys. Rev. Lett. 126, 141801 (2021), Published April 7, 2021.
Magnetic-field measurement and analysis for the Muon g-2 Experiment at Fermilab, T. Albahri et al. (The g-2 Collaboration), Phys. Rev. A 103, 042208 (2021), Published April 7, 2021.
Measurement of the anomalous precession frequency of the muon in the Fermilab Muon g-2 Experiment, T. Albahri et al. (Muon g-2 Collaboration), Phys. Rev. D 103, 072002 (2021), Published April 7, 2021.
Beam dynamics corrections to the Run-1 measurement of the muon anomalous magnetic moment at Fermilab, T. Albahri et al. (Muon g-2 Collaboration), Phys. Rev. Accel. Beams 24, 044002 (2021), Published April 27, 2021.