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탑 쿼크와 반입자 사이의 결합에 대한 최초의 증거 제시

물리학자들이 "검출 불가능한" 입자를 발견했다.
LHC 입자 가속기, 탑 쿼크와 반입자 사이의 결합에 대한 최초의 증거 제시

"불가능한" 발견:
LHC 입자 가속기가 이전에는 관측이 불가능하다고 여겨졌던 입자, 토포늄(Toponium)을 발견했다. 토포늄은 모든 기본 입자 중 가장 무거운 탑쿼크(Top-Qurk)로 구성돼 있다. 이전에는 두 입자 모두 수명이 너무 짧아 검출 가능한 결합을 형성할 수 없다고 여겨졌다. 그러나 이제 대형 강입자 충돌기(LHC)의 두 검출기가 탑쿼크와 반탑쿼크(Anti-Top-Quakk)의 결합을 검출했다. 

▲ 물리학자들은 처음으로 토포늄을 발견했다. 토포늄은 탑 쿼크와 반입자 사이의 결합이다. © D. Dominguez/ CERN

탑쿼크는 모든 기본 입자 중 가장 무겁고 수명이 짧다. 일반적으로 1,000조 분의 1초 이내에 붕괴한다. 따라서 이전에는 탑쿼크가 단독으로 존재하는 것으로 여겨졌다. 다른 쿼크들이 결합하여 양성자와 중성자를 형성하는 등 두세 개의 쿼크가 결합하는 반면, 탑쿼크는 이러한 결합을 형성하기 전에 붕괴되기 때문이다. 이전에는 그렇게 생각되었다.

하지만 2024년, CERN 연구 센터의 물리학자들이 탑쿼크와 그 반입자의 양자 얽힘 현상을 최초로 관측하는 데 성공했다. 이는 탑쿼크와 그 반물질 파트너의 스핀 상태와 방향이 정렬됨으로써 확인되었다.

▲ LHC의 개방형 ATLAS 검출기 전경. 양성자 충돌에서도 탑 쿼크가 생성e된다. © CERN/ Maximilien Brice

토포늄은 이전에 검출 불가하다고 여겨졌다.

이제 CERN 물리학자들은 다음 단계로 나아갔다. 그들은 탑쿼크와 그 반입자가 결합하여 토포늄을 형성할 수 있음을 최초로 입증했다. 이러한 준입자에서 두 쿼크는 강한 핵력의 운반 입자인 글루온의 교환을 통해 결합한다. 이러한 "쿼코늄(Quarkonium)" 상태는 참 쿼크(Charm-Quark)와 바텀 쿼크(Buttom-Quark)와 같은 다른 유형의 쿼크에서도 이미 검출되었다. 전자와 양전자로 구성된 포지트로늄(Positronium) 또한 이러한 결합 상태다.

하지만 지금까지 탑쿼크가 극히 짧은 수명으로 인해 그러한 결합을 형성할 수 있는지는 논란의 여지가 있었다. 이제 두 대의 LHC 검출기인 CMS와 ATLAS의 데이터가 이를 확인했다. CMS 협력 연구원인 함부르크 대학교의 알렉산더 그로히장(Alexander Grohsjean)은 "이것은 자연이 우리의 기대를 뒤엎는 순간 중 하나다. 우리는 그러한 입자를, 특히 LHC와 같은 조건에서는 관측할 수 없다고 확신했기 때문이다"고 말했다.

▲ ATLAS 검출기에서 토포늄을 생성했을 가능성이 있는 충돌의 예. 이는 전자(녹색), 뮤온, 그리고 붕괴하는 뷰티 쿼크(흰색 원뿔)에서 나온 두 개의 입자 제트를 포함한 특수한 특징을 가진 붕괴 생성물로 나타난다. © CERN/ ATLAS Collaboration

7시그마 이상의 중요성

물리학자들은 LHC 입자 가속기에서 13TeV(테라전자볼트)의 에너지를 가진 양성자 충돌에서 연결된 탑쿼크를 발견했다. 이러한 충돌은 서로에 대해 정지 상태에 있는 탑쿼크와 그 반입자를 생성하는 경우가 드물기 때문에 글루온을 교환할 수 있다. 따라서 연구진은 2015년부터 2018년까지 LHC의 두 번째 가동 데이터를 검색해 운동 에너지가 낮은 탑쿼크와 반탑쿼크의 붕괴 흔적을 찾았다.

실제로 두 팀 모두 원하던 것을 발견했다. CMD 협력팀의 물리학자들은 5시그마의 유의도를 가진 이러한 쌍들을 초과 검출했다. 이는 공식적인 발견에 필요한 임계값에 도달했으며, 이 신호가 단순한 정적 우연의 일치일 가능성은 극히 낮다. CERN 보고서에 따르면 ATLAS 검출기에서는 다른 붕괴 입자를 기반으로 한 측정 결과도 7시그마의 유의도에 도달했다.

탐쿼크에 대한 새로운 관점

이는 물리학자들이 이전에는 검출 불가능하다고 여겨졌던 토포늄을 발견했음을 의미할 수 있다. ATLAS 협력팀 대변인 스테판 윌로크는 "오랫동안 이러한 미묘한 효과를 측정하는 것은 실험적으로 불가능하다고 여겨졌다"며 "이러한 현상은 생성된 탐쿼크 쌍의 극히 일부에 불과하고 데이터에서 식별하기 어렵기 때문이다"고 설명했다. 하지만 LHC의 오랜 작동 시간 덕분에 이제 충분한 사례가 수집되었다.

▲ tt̄ 준결합 상태(실행 번호 338183, 이벤트 번호 3295623881, 2017년 10월 14일 기록) 형성과 일치하는 후보 이벤트의 이벤트 표시. 이벤트에서 tt̄ 쌍의 불변 질량은 342.2GeV이다. 스핀 민감 관측값 chel과 chan의 값은 각각 0.965와 0.944다. 후보 이벤트는 bbμ e 최종 상태에서 재구성된다. 이미지는 동일한 이벤트의 두 가지 보기를 보여준다. 위쪽은 ATLAS 검출기의 횡단면이고 아래쪽은 종단면이다. 빨간색 선은 뮤온 분광기의 충돌을 포함한 뮤온의 경로를 보여준다. 녹색 선은 전자기 열량계에서 에너지 축적과 함께 전자의 경로를 보여준다. 청록색 원뿔은 두 개의 b-태그된 제트이다. 오른쪽의 "레고 플롯"에서 볼 수 있듯이, 뮤온과 전자 후보들은 각각 45GeV와 37GeV의 횡방향 운동량을 가지고 있다. 두 제트의 횡방향 운동량은 각각 49GeV와 43GeV다. (출처:Observation of a cross-section enhancement near the tt̄ production threshold in square s = 13 TeV pp collisions with the ATLAS detecto / ATLAS Experiment)

"이 결과는 교과서를 다시 쓸 수 있을 것이다. 수 세대에 걸쳐 물리학자들이 당연하게 여겨왔던 것에 의문을 제기한다"고 함부르크 대학교의 크리스티안 슈바넨베르거(Christian Schwanenberger)는 말했다. 토포늄의 검출은 탑쿼크의 거동에 대한 새로운 시각을 제시하며, 모든 입자 중 가장 무거운 이 입자가 왜 더 가벼운 입자와 다른지 이해하는 데 도움이 될 수 있다.

강한 핵력에 대한 추가 정보

동시에, 토포늄은 물리학에 강한 핵력을 더욱 심층적으로 연구할 수 있는 새로운 도구를 제공할 수 있다. CMS 협력팀 대변인인 고티에 아멜 드 몽슈노는 "ATLAS와 CMS의 결과는 입자 물리학의 표준 모형에 대해 아직 배워야 할 것이 많다는 것을 보여준다"고 말했다. CERN의 물리학자들은 현재 진행 중인 세 번째 LHC 실험에서 얻은 데이터가 탑쿼크 간의 이러한 연관성에 대해 더 많은 정보를 제공하기를 기대하고 있다.
(ATLAS-CONF-2025-008, CMS TOP-24-007)
출처: CERN, 함부르크 대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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