변하는 UV-차단에 의한 결합상수의 시간 변화

이태균, New Physics: Sae Mulli 75, 859 (2025).

일반적으로 물리 법칙은 시간과 위치에 무관하다고 생각되어진다. 이 물리 법칙의 보편성은 국지적으로는 잘 증명되어 있지만 전 우주 역사에 걸쳐 사실인지는 알려지지 않았다. 오래전 디랙은 큰수의 가설을 제안하여 중력상수가 시간에 반비례하여 감소한다고 제안했다. 이 제안은 지질학적 증거 등에 의해 바로 부정되었지만 물리 상수의 시간 의존성은 많은 관심을 끌어왔다. 물리 상수의 시간 변화를 도출하는 가장 널리 사용되는 모형은 스칼라 장을 도입하여 이 장의 진화에 물리 상수를 연동하는 것이다. 이 논문에서 나는 일반적인 양자 장론에서 결합상수의 시간진화에 대한 새로운 모형을 제안한다. 장론에서 재규격화된 결합상수는 UV-차단 스케일에서의 맨 결합상수와 재규격화군 방정식에 의해 연결되어 있다. 일반적으로 UV-차단은 장론의 발산을 제어하기 위해 도입되었지만 시공간이 만약 아주 짧은 거리에서 격자같이 불연속적이면, UV-차단은 격자의 간격과 관계할 것이므로 시공간의 근본적인 성질일 수 있다. 우주가 팽창함에 따라 이 UV-차단이 변하고 맨 결합상수가 고정되어 있다면 재규격화된 결합 상수는 시간에 따라 변할 것이다. 이 모형에서 결합상수의 시간 변화율은 결합상수의 베타함수와 허블 변수의 곱으로 주어진다. 이 결과는 즉시, 미세구조상수와 강력의 결합상수의 베타함수의 부호가 서로 반대이므로, 이들의 진화 방향이 반대임을 보여준다. 이는 결합상수의 진화에 대한 다른 모형과 구별되는 중요한 특성 중 하나이다. 다음에 이 모형을 입자 표준모형에 적용하여 미세구조상수, 핵자 질량, 전자와 쿼크 질량, 그리고 힉스 질량 등의 진화에 대한 결과를 유도하고, 핵자 질량 변화가 UV-차단 변화에 가장 민감하게 반응함을 보인다. 여기서 제안된 모형은 천체 관측과 고정밀 원자 시계 실험 등에 의해 검증될 수 있을 것이다.

파이썬(Python) 기반 강제진동 공명곡선 시뮬레이션: 개발과 디버깅 과정에서의 과학적 탐색

양태원, 김지나, New Physics: Sae Mulli 75, 894 (2025).

최근 과학교육에서는 프로그래밍과 시뮬레이션 활용의 중요성이 부각되고 있다. 시뮬레이션 프로그래밍은 추상적인 개념을 시각화할 뿐만 아니라, 모델 설계, 오류 점검, 결과 해석 등의 과정을 직접 경험하게 함으로써 학습을 심화시킬 수 있다. 그러나 기존의 수업과 연구는 대체로 완성된 코드나 출력된 결과만을 제시하는 데 그쳐, 해당 결과가 어떠한 계산·검증·판단을 거쳐 도출되었는지 파악하기 어렵다는 한계가 있다.

강제진동과 공명은 교과서에서 다루는 주요 주제이지만, 주로 미분방정식 풀이나 제시된 공명 곡선의 해석에 치중되어 왔다. 본 연구는 이러한 결과 중심 접근에서 탈피하여, 공명곡선을 ‘직접 만들어가는 과정’ 자체를 연구의 대상으로 설정하였다. 파이썬(Python)을 활용하여 강제진동 공명곡선을 수치적으로 구현하는 전 과정을 설계-구현-검증-디버깅 단계로 구조화하고, 각 단계에서 알고리즘의 구조와 물리적 타당성이 어떻게 확보되는지를 구체적으로 제시하였다. 특히 개발 과정에서 나타나는 문제들을 단순한 코드 오류로 처리하지 않고, 과도응답·경계 조건·저주파 영역에서의 피크 누락 등 물리적 원리에 기반한 진단과 디버깅이 필요한 탐구 문제로 다루었다. 이러한 과정은 공명 현상을 다양한 관점에서 탐색할 수 있도록 한다.

이처럼 본 연구는 프로그래밍을 단순히 계산 결과를 산출하는 수단을 넘어, 모델의 의미를 검토하고, 오류의 원인을 논리적으로 추적하며, 더 나은 모델로 정교화 하는 탐구 도구로 활용할 수 있음을 보여준다. 즉, 시뮬레이션 기반 물리 학습이 결과의 관찰에 그치지 않고, 과학적 사고 과정을 통한 탐구활동으로 확장될 수 있음을 시사한다.

KOTO experiment: Searching for \(K_L \rightarrow \pi^0 \nu\bar{\nu}\) decay

임계엽, New Physics: Sae Mulli 75, 928 (2025).

중성 K중간자(\(\small K_L\))의 희귀 붕괴인 \(\small K_L \rightarrow \pi^0\nu\bar{\nu}\)는 “표준모형을 넘어서는 새로운 물리 법칙의 발견”이라는 입자물리학의 중심과제를 해결하기 위해 주목받는 현상 중 하나이다. 이 붕괴의 갈래비 (branching ratio)는 표준모형의 틀 안에서 이론적 불확실성이 거의 없이 계산할 수 있다는 장점과 더불어, 표준모형보다는 새로운 물리법칙에 의해 결정될 가능성 또한 높다. 1989년 이 붕괴 현상에 대한 논의가 시작된 이래 여러 시행착오를 거쳐, 2000년대에 접어들면서 본격적인 실험(KEK-PS E391a)이 가능하게 되었다. 이 실험에서는 생성되자마자 붕괴하는 \(\small \pi^0\)가 두 개의 광자를 방출하며, 동시에 생성된 중성미자들은 검출기에 신호를 남기지 않기 때문에, \(\small K_L \rightarrow \pi^0 \nu\bar{\nu}\) 붕괴를 “동반 입자가 없는 두 개의 광자”로 특정하여 탐색하였다. 그러나, 이 실험에서 관측할 수 있는 \(\small K_L\) 붕괴의 수가 부족하여, 실험 원리의 타당성을 증명하는 데 만족해야만 했다. KOTO 실험은 새롭게 건설된 J-PARC에서 얻을 수 있는 높은 강도의 \(\small K_L\) 빔을 활용하여 본격적인 탐색을 수행하는 차세대 실험으로, 처음으로 데이터를 취득한 2013년 이후 검출기 개선과 데이터 취득 및 분석 작업을 지속적으로 진행하고 있다.

그림 1. KOTO 검출기의 단면도.

그림 1은 KOTO 검출기의 단면을 보여준다. 왼쪽으로부터 입사한 \(\small K_L\)빔이 검출기를 통과하면서 붕괴하며, CsI로 표시된 전자기 열량계에서 두 광자의 에너지와 입자 위치를 측정한다. 탐색영역(Decay region)을 고감도 검출기로 완전하게 둘러싸, 두 광자와 함께 생성되는 다른 광자 및 하전 입자를 빠짐없이 검출한다. 그림 2는 최근 취득한 데이터를 이용한 탐색 결과를 보여준다. 검출한 두 광자로부터 재구성한 \(\small \pi_0\)의 붕괴위치(\(\small Z_{\nu rx}\))와 빔에 수직한 운동량 성분(\(\small P_T\))을 사용하여, 감도가 높은 신호영역(점선으로 표시)에서 검출되는 사상으로부터 갈래비를 도출한다. 희귀 붕괴 탐색에서는 신호 사상으로 오인되는 배경사상을 정확하게 이해하는 것이 중요하며(그림에서 예측오차와 함께 붉은 색 숫자로 표시), 신호 영역의 배경사상 예측 값은 0.25이다. 이 분석에 사용한 유효 \(\small K_L\) 붕괴의 수는 1/(9.3\(\small \times\)10^‒10)에 해당하며, 관측된 사상은 없었다. 표준모형만이 이 붕괴현상의 유일한 원인이며, 통계적인 요동이 없다는 가정하에서 한 개의 신호사상을 관측하기 위해 필요한 유효 붕괴의 수(1/(3\(\small \times\)10^‒11))에 도달하기에는, 아직도 30배나 부족하다. 그러나, 3년 안에 실험 감도의 10배 향상 및 이에 따른 추가적인 배경 사상 제거 능력 제고를 위한 데이터 취득을 진행 중에 있다.

그림 2. KOTO의 최신 결과.(Physics Review Letters 134, 081802 (2025) 참조)

이 과정에서 새로운 물리 법칙의 기여를 발견할 가능성은 있지만, 통계적으로 의미 있는 결론을 도출하기에는 어려움이 따른다. 준비 중인 차세대 실험인 KOTO II는 새롭게 100배 향상된 실험 감도를 달성할 수 있는 \(\small K_L\)빔과 검출기를 이용하여, 표준모형을 엄격히 검증 및 새로운 물리법칙의 존재 여부를 판단할 수 있는 결과를 제공할 것이다.