제5의 힘

3. 이론

"제5의 힘"이라는 용어는 1986년 에프라임 피쉬바흐 외 연구진의 논문에서 유래되었으며, 이는 20세기 초 로란드 외트뵈시의 외트뵈시 실험 데이터를 재분석한 것이다. 재분석 결과 중력의 거리 의존성이 역제곱 법칙에서 벗어나는 것으로 나타났다.^[1][2]

이 재분석은 1971년 후지이^[3][4]의 이론 연구에 의해 촉발되었는데, 그는 유카와 퍼텐셜과 유사한 항을 사용하여 거리 의존성을 변화시키는 모델을 제안했다.

:$V(r)\; =\; -G\_\backslash infty\; \backslash frac\{m\_im\_j\}\{r\_\{ij\}\}(1+\backslash alpha\; e^\{-r/\backslash lambda\})$

여기서 파라미터 $\backslash alpha$는 상호작용의 세기를 나타내고 $\backslash lambda$는 범위를 나타낸다.^[2] 피쉬바흐의 논문은 중력의 약 1% 정도의 세기와 수백 미터 범위의 값을 발견했다.^[5]

이 퍼텐셜의 효과는 아직 발견되지 않은 새로운 입자를 예측하는 것과 같이, 벡터 및/또는 스칼라 보존의 교환으로 등가적으로 설명될 수 있다.^[2]

그러나, 이러한 편차를 재현하려는 많은 시도들이 실패했다.^[6] 일반 상대성 이론과 양자장론의 기존 모델 사이의 불일치, 그리고 계층 문제와 우주 상수 문제 사이의 불일치로 인해 제5의 힘에 대한 이론적 제안이 이루어지고 있다. 두 문제 모두 100um 주변의 중력 포텐셜에 대한 수정 가능성을 시사한다.^[2]

우주 팽창의 가속화는 암흑 에너지라고 불리는 에너지 형태로 귀착되었다. 일부 물리학자들은 quintessence라고 불리는 암흑 에너지 형태가 제5의 힘일 수 있다고 추측한다.^[7][8][9]

4. 실험적 접근

"제5의 힘"은 1986년 에프라임 피쉬바흐 등의 논문에서 처음 언급되었으며, 20세기 초 로란드 외트뵈시의 외트뵈시 실험 데이터를 재분석한 결과였다. 이 재분석에서는 중력이 역제곱 법칙에서 벗어나는 현상이 발견되었다.^[1][2]

이러한 현상은 1971년 후지이^[3][4]의 이론 연구에서 영감을 받았는데, 그는 유카와 퍼텐셜과 유사한 항을 사용하여 거리 의존성이 변하는 모델을 제안했다.

:$V(r)\; =\; -G\_\backslash infty\; \backslash frac\{m\_im\_j\}\{r\_\{ij\}\}(1+\backslash alpha\; e^\{-r/\backslash lambda\})$

여기서 $\backslash alpha$는 상호작용의 세기를, $\backslash lambda$는 범위를 나타낸다.^[2] 피쉬바흐의 연구에서는 중력의 약 1% 정도 세기와 수백 미터 범위의 값을 찾아냈다.^[5]

이 퍼텐셜은 아직 발견되지 않은 새로운 입자의 교환으로 설명될 수 있으며, 벡터 및/또는 스칼라 보존의 형태로 나타날 수 있다.^[2] 그러나, 이러한 결과를 재현하려는 많은 실험들이 실패했다.^[6]

일반 상대성 이론과 양자장론의 기존 모델 사이의 불일치, 계층 문제와 우주 상수 문제의 불일치는 제5의 힘에 대한 이론적 제안을 촉발시켰다. 이 두 문제는 모두 100μm 주변의 중력 포텐셜 수정 가능성을 시사한다.^[2]

우주의 가속 팽창은 암흑 에너지라는 에너지 형태로 설명된다. 일부 물리학자들은 quintessence라고 불리는 암흑 에너지 형태가 제5의 힘일 수 있다고 추측한다.^[7][8][9]

제5의 힘을 찾기 위한 탐색은 다루는 힘의 종류와 범위에 따라 최소 세 가지 종류로 나뉜다.

• 노르트베트 효과라고 불리는 태양계 궤도 효과를 통해 제5의 힘을 탐색한다. 달 레이저 거리 측정 실험^[10] 및 초장기선 간섭계를 통해 시험된다.
• 몇몇 실험에서는 320m 높이의 호수와 탑을 사용했다.^[16]
• 물체의 조성에 따라 달라지는 힘은 로란드 외트뵈시가 발명한 비틀림 저울 실험을 통해 매우 민감하게 테스트될 수 있다. 이러한 힘은 원자핵 내 양성자와 중성자의 비율, 핵 스핀,^[19] 또는 핵 내 서로 다른 종류의 결합 에너지 상대량(반경험적 질량 공식 참조)에 따라 달라질 수 있다. 이러한 탐색은 매우 짧은 범위에서, 도시 규모, 지구, 태양 및 은하 중심의 암흑 물질 규모에 이르기까지 수행되었다.

4. 1. 등가 원리

4. 2. 여분 차원

4. 3. 지구 맨틀

4. 4. 세페이드 변광성

4. 5. 기타 접근법

4. 6. 새로운 입자 주장

5. 전망

일반 상대성 이론과 양자장론의 기존 모델 사이의 불일치, 그리고 계층 문제와 우주 상수 문제 사이의 불일치로 인해 제5의 힘에 대한 이론적 제안이 이루어지고 있다. 두 문제 모두 100um 주변의 중력 포텐셜에 대한 수정 가능성을 시사한다.^[2]

우주 팽창의 가속화는 암흑 에너지라고 불리는 에너지 형태로 귀착되었다. 일부 물리학자들은 quintessence라고 불리는 암흑 에너지 형태가 제5의 힘일 수 있다고 추측한다.^[7][8][9]

참조

_[1] 논문 Reanalysis of the Eötvös experiment 1986-01-06
_[2] 논문 Search for new physics with atoms and molecules https://link.aps.org[...] 2018-06-29
_[3] 논문 Dilaton and Possible Non-Newtonian Gravity https://www.nature.c[...] 1971-11
_[4] 서적 The Search for Non-Newtonian Gravity http://link.springer[...] Springer New York 1999
_[5] 논문 The Confrontation between General Relativity and Experiment 2014-12
_[6] 서적 The rise and fall of the fifth force: discovery, pursuit, and justification in modern physics Springer 2016
_[7] 웹사이트 Quintessence – a fifth force from variation of the fundamental scale http://www.thphys.un[...] Heidelberg University
_[8] 논문 Natural quintessence in string theory
_[9] 논문 Changing α with Time: Implications for Fifth-Force-Type Experiments and Quintessence https://link.aps.org[...] 2002-02-15
_[10] 웹사이트 Lunar laser ranging http://funphysics.jp[...] 2005-05-07
_[11] 웹사이트 Satellite Energy Exchange (SEE) http://www.phys.utk.[...] 2005-05-07
_[12] 논문 Test of Newton's inverse-square law in the Greenland ice cap 1989-02-27
_[13] 논문 The Greenland Gravitational Constant Experiment https://zenodo.org/r[...] 1990
_[14] 간행물 Earth's mantle helps hunt for fifth force of nature https://www.newscien[...]
_[15] 논문 Astrophysical tests of modified gravity: Constraints from distance indicators in the nearby universe 2013-11-25
_[16] 논문 Testing non-Newtonian gravitation on a 320 m tower 1992-09
_[17] 논문 Six years of the fifth force 1992-03-19
_[18] 논문 Evidence of correlations between nuclear decay rates and Earth–Sun distance 2009-08
_[19] 서적 Progress in High Energy Physics Elsevier
_[20] 논문 Has a Hungarian physics lab found a fifth force of nature?
_[21] 뉴스 Scientists may have discovered fifth force of nature, laboratory announces https://www.independ[...] 2019-11-26
_[22] 간행물 New boson claim faces scrutiny https://www.quantama[...] 2019-11-24
_[23] 논문 Protophobic Fifth-Force Interpretation of the Observed Anomaly in {{sup|8}}Be Nuclear Transitions 2016-08-11
_[24] 웹사이트 第5の力（提供: 計測自動制御学会） http://www.sice.jp/h[...]
_[25] 웹사이트 第5の力は存在するか？ https://cir.nii.ac.j[...]