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- 뷰티 쿼크(Beauty-Quark) 붕괴시 렘톤 보편성 테스트
- 관측성 유의성은 아직 낮지만 새로운 입자 혹은 힘의 존재 가능성 높아져

"새로운 물리학"에 대한 증거가 강화되고 있다.
뷰티-쿼크의 불균등한 붕괴는 표준 물리학 모델과 모순된다.

흥미로운 일탈 :
물리학자들은 다시 한번 물리학의 기본 법칙이 위반된 증거를 발견했다.
LHC 입자 가속기에서 뷰티 쿼크가 붕괴될 때 뮤온보다 약간 더 많은 전자가 생성됐다.
이것은 소위 표준 모델의 렙톤 보편성과 모순된다. 이것이 확인되면 이는 이전에 알려진 것 이상의 프로세스 또는 입자의 표시일 수 있다. 

▲ LHC(Large Hadron Collider)의 LHCb 검출기에서 뷰티 쿼크의 붕괴. 이러한 붕괴 동안 형성되는 전자와 뮤온의 비율은 표준 모델의 예측과 일치하지 않는다. © CERN

입자 물리학의 표준 모델은 우리 우주를 형성하는 입자와 힘을 포함하고 설명한다.
그러나 이 모델은 불완전하다. 지금까지 그것은 암흑 물질이나 암흑 에너지의 본질을 설명할 수 없다. 우주에서 반물질보다 물질이 더 많은 이유도 해석이 불가하다.
중력에 대한 매개체가 있는지 여부에 대한 질문도 열려 있다.
따라서 물리학자들은 표준 모델을 넘어서는 프로세스와 입자가 여전히 존재할 수 있다고 한동안 의심해 왔다.


이러한 "새로운 물리학"의 표시는 최근 몇 년 동안 점점 더 확증되었으며 현재 새로운 확인을 받고 있다. 이것은 충돌하는 양성자의 붕괴 패턴의 편차다. 이러한 핵심 구성 요소가 입자 가속기에서 높은 에너지와 충돌하면 뷰티 쿼크와 같은 다양한 쿼크를 포함해 수명이 짧은 기본 입자가 생성된다.

이 뷰티 쿼크가 분해되면 두 개의 전자 또는 두 개의 뮤온(전자의 더 무거운 "형제")이 생성된다. 둘 다 렙톤의 입자 유형에 속한다.
"표준 모델에 따르면, 다양한 렙톤, 전자, 뮤온 및 타우는 동일한 상호 작용 강도를 가지고 있다. 이를 렙톤 보편성이라고 한다"고 LHCb 협력 물리학자들은 설명했다.
따라서 뷰티 쿼크가 붕괴할 때 전자와 뮤온이 같은 확률로 생성되어야 한다.

그러나 이미 2015년과 2017년에 CERN의 LHC(Large Hadron Collider)와 같은 입자 가속기의 양성자 충돌 데이터가 편차의 첫 번째 지표를 제공했다.
붕괴는 뮤온보다 약간 더 많은 전자를 생성해 렙톤 보편성을 위반할 수 있다. 이전 관측치의 유의성은 2 표준 편차(시그마)의 값에 불과했다. 무작위 변동을 완전히 배제하기에는 너무 낮았다.

▲ LHCb 실험은 LHC에 있는 4개의 대형 검출기 중 하나다. © CERN

3.1로 의미있는 증가

이제 CERN의 LHCb 검출기에서 얻은 새로운 데이터는 이러한 관찰을 확인하고 확증한다.
물리학자들은 입자 가속기의 최신 실행 시간에 대한 데이터를 포함시킨 후 뷰티 쿼크 붕괴에서 전자와 뮤온의 비율에서 더 명확한 편차를 결정했다.

값은 거의 1이 아니라 0.846이었다. LHCb 협력의 물리학자들은 “이것은 현재까지 이 비율을 가장 정확하게 측정한 것이다”고 보고했다.

이것은 편차의 중요성을 3.1시그마로 증가시킨다.
따라서 이 결과가 표준 모델과 일치할 확률은 약 0.1%에 불과하다.
연구진은 "이는 렙톤 보편성의 위반을 의미한다"고 말했다. 입자 물리학에서는 이를 위해 5자리의 시그마가 필요하기 때문에 공식 발견에는 아직 충분하지 않다.
이는 0.00003%의 일치 확률에 해당한다.

새로운 입자 또는 힘의 가능한 표시

물리학자들에 따르면 새로운 결과는 아직 알려지지 않은 기본 입자 또는 새로운 기본 힘의 형태로 표준 모델을 넘어선 물리학이 있다는 가정을 강화한다.

맨체스터 대학의 LHCb 대변인 Chris Parkes는 "렙톤 보편성의 위반이 확인되면 새로운 물리적 프로세스와 상호 작용이 필요하다"고 설명했다.

물리학자들은 이제 LHC 입자 가속기뿐만 아니라 전 세계의 다른 가속기의 추가 데이터를 평가하려고 한다. "연결된 프로세스에 대한 추가 연구가 이미 진행 중이다"고 Parkes는 말한다. "우리는 그들이 현재 결과에 대한 매력적인 증거를 강화할 것인지 궁금하다.“
(Morimond Conference, arXiv : 2103.11769)
출처 : CERN, Universität Zürich

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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