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‘신의 입자’ 힉스 보존의 바닥쿼크 붕괴 확인...“표준모형 정교함 다시 증명”

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2018년 08월 29일 18:10 프린트하기

유럽입자물리연구소(CERN)의 아틀라스 팀이 발견한 힉스의 바닥쿼크 붕괴 예. 푸른색 원으로 표시된 부분이 바닥쿼크로 붕괴한 부분이다. 전체 과정은 양성자 충돌 -> 힉스 및 W보존 형성 -> 힉스는 바닥쿼크로, W보존은 뮤온과 뉴트리노로 붕괴다. - 사진 제공 CERN
유럽입자물리연구소(CERN)의 아틀라스 팀이 발견한 힉스의 바닥쿼크 붕괴 예. 푸른색 원으로 표시된 부분이 바닥쿼크로 붕괴한 부분이다. 전체 과정은 '양성자 충돌' -> '힉스 및 W보존 형성' -> 힉스는 바닥쿼크로, W보존은 뮤온과 뉴트리노로 붕괴'다. - 사진 제공 CERN

우주를 구성하고 움직이는 기본 원리를 17개의 기본입자와 힘으로 상세히 설명하는 ‘표준모형’은 인류가 만든 가장 정교한 이론으로 불린다. 이 이론이 예측한 마지막 입자로 2012년 실험으로 관측됐던 ‘신의 입자’ 힉스 보존(boson, 주로 힘을 매개하는 기본입자)의 가장 중요한 특성 하나가 유럽입자물리연구소(CERN)의 두 연구팀에 의해 동시에 발견됐다. 


CERN은 운영 중인 대형강입자충돌기(LHC)를 이용해 힉스 보존이 곧바로 다른 입자로 변하는 현상(붕괴)을 연구한 결과, 힉스 보존이 또다른 기본 입자이자 물질을 구성하는 입자인 ‘바닥쿼크(B쿼크)’와 ‘반(反)바닥쿼크’ 쌍으로 변하는 현상을 관측하는 데 성공했다고 28일 밝혔다. 


힉스 보존이 B쿼크로 붕괴하는 현상은 표준모형이 예측한 대표적인 힉스 붕괴 현상이다. 표준모형이 맞다면, LHC에서 만들어진 힉스 보존은 순식간인 10억분의 1의 10억분의 1의 1000분의 1초만에 붕괴한다. 이론에 따르면 그 중 57.7%는 B쿼크와 반B쿼크로 붕괴해야 한다. 표준모형이 예측한 힉스 보존의 두 번째 붕괴 패턴은 또다른 기본 입자인 타우입자와 반타우입자로 변하는 것으로, 전체 힉스의 6.3%가 이렇게 붕괴한다.

 

또다른 CERN의 연구팀 CMS의 검출 결과. 힉스가 Z보존과 함께 형성된 뒤 각각 바닥쿼크 쌍과 전자-양전자 쌍으로 붕괴했다. - 사진 제공 CERN
또다른 CERN의 연구팀 CMS의 검출 결과. 힉스가 Z보존과 함께 형성된 뒤 각각 바닥쿼크 쌍과 전자-양전자 쌍으로 붕괴했다. - 사진 제공 CERN



LHC에서 각각 다른 검출기를 운영하고 있는 두 연구팀인 아틀라스(ATLAS)와 시엠에스(CMS)는 LHC가 여러 해 동안 이뤄진 양성자 충돌 데이터를 모은 뒤 데이터를 분석해 B쿼크와 반B쿼크의 흔적을 찾았다. LHC에서는 지름 27km의 거대한 원형 가속기에서 양성자를 가속한 뒤 서로 맞부딪히게 해 힉스 보존을 만든다. 이 때 힉스 입자가 만들어질 확률이 워낙 낮기 때문에 충돌 실험을 무수히 반복해 데이터를 최대한 모아야 관측이 가능해진다. 2012년에도 두 연구팀은 수많은 충돌 실험을 반복해 힉스 보존의 양을 한껏 늘린 뒤, 이들이 다시 광자 두 쌍이나, 또다른 기본 입자인 뮤온 입자 네 쌍으로 붕괴하는 현상을 관측해 힉스 발견에 성공했다.


아틀라스와 CMS는 지난해까지 수년 동안의 데이터를 수집한 뒤 B쿼크와 반B쿼크가 만들어진 반응을 수집했다. 그 뒤 다른 경로로 B쿼크 쌍이 만들어지는 경우(잡음)를 제거하는 방식으로 힉스에 의해 만들어진 B쿼크 쌍을 찾는 데 성공했다. 훨씬 확률이 높은 붕괴 패턴임에도 발견하는 데 6년이나 걸린 것은, 잡음에 해당하는 다른 반응이 훨씬 많고 복잡하기 때문이다. 2012년 힉스 입자를 발견할 때 관측한 붕괴반응인 광자 쌍 붕괴는 비교적 단순해 관측이 쉽다.


연구팀은 이번 연구로 표준모형의 정교함이 다시 한번 증명됐다고 주장했다. 칼 야콥스 아틀라스 대변인(대표)은 “이번 관측은 힉스 보존에 대한 탐구 역사에서 중요한 이정표가 될 것”이라고 말했다. 

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