3'00" 읽기
180조분의 1초의 최대 수명에 해당하며 표준 모델의 예측과 일치

힉스 입자의 제한된 수명
LHC 입자 가속기의 붕괴 폭은 "새로운 물리학"을 위한 공간을 더욱 좁힌다.

물리학자들이 힉스 보손의 중요한 특성인 수명을 좁혔다. 이것은 LHC 입자 가속기에서 직접 측정하기에는 너무 짧지만 소위 붕괴 폭을 사용해 결정할 수 있다. LHC의 두 감지기에서 측정한 값은 이제 이 값의 범위를 3.2~4.6메가전자 볼트로 좁혔다. 이것은 180조분의 1초의 최대 수명에 해당하며 표준 모델의 예측과 일치한다. 

▲ ATLAS 검출기에서 2개의 Z 보손으로 붕괴한 다음 2개의 뮤온과 2개의 전자로 붕괴하는 Higgs 보존의 입자 서명. © CERN

2012년 처음 발견된 힉스 입자는 다른 모든 기본 입자에 질량을 부여하는 입자로 간주된다. 이들은 보손 및 보손과 관련된 장과 더 강하게 상호 작용할수록 더 무거워진다. 그 이후로 물리학자들은 CERN의 LHC(Large Hadron Collider)에서 힉스 붕괴 패턴을 사용하여 힉스 보손의 이러한 상호작용 및 기타 특성 중 일부를 설명했다.

Higgs boson은 얼마나 오랫동안 안정적으로 유지될까?

힉스 보손의 한 가지 중요한 특성이 지금까지 불분명한 상태로 남아 있다. 바로 정확한 수명이다. LHC의 고해상도 검출기는 붕괴 생성물의 궤적을 통해 이를 대략적으로 재구성할 수 있다. 전파 시간을 기준으로 충돌 지점에서 보손이 붕괴한 대략적인 거리를 결정한다. 그러나 이것만으로는 수명이 이론적인 기대치에 부합하는지 판단하기에는 충분하지 않다.

따라서 Higgs boson이 이와 관련해 물리적 표준 모델의 예측과 일치하는지 여전히 불분명하다. 흥미로운 점은 이것이 사실이 아니고 입자가 필요한 것보다 오래 지속된다면, 예를 들어 이것이 발견되지 않은 상호작용이나 입자를 나타낼 수 있으며 따라서 표준 모델을 넘어서는 소위 "새로운 물리학"을 나타낼 수 있다.

감쇠 폭 범위

이제 처음으로 CERN의 ATLAS 및 CMS 협력 물리학자들이 Higgs 입자의 수명을 극도로 제한하는 데 성공했다. 그들은 직접적인 시간 측정을 사용하여 이것을 할 수 없었지만 감쇠 폭으로 알려진 것을 사용했다. 이것은 입자의 특정 붕괴가 발생하는 에너지 및 질량 범위를 설명한다. 이 범위가 넓을수록 입자의 수명이 짧아진다.

측정을 위해 두 연구팀은 소위 ZZ 붕괴를 사용하여 Higgs boson의 생성과 붕괴를 분석했다. 이러한 형태의 붕괴에서 Higgs 보존은 처음에 두 개의 수명이 짧은 Z 보존을 생성한 다음 4개의 입자로 붕괴한다. 이러한 ZZ 붕괴가 발생하는 에너지로부터 공칭 질량 125GeV(기가전자볼트) 이상으로 얼마나 많은 힉스 입자가 생성되었는지 확인할 수 있다. 이 소위 오프쉘 속도를 통해 보손의 붕괴 폭에 대한 결론을 도출할 수 있다.

분석을 위해 물리학자들은 LHC 입자 가속기의 두 번째 런타임에서 ATLAS 및 CMS 실험의 붕괴 데이터를 평가했다. 여기에서 13TeV(테라전자볼트)의 에너지를 가진 양성자가 충돌했다.

▲ 붕괴 폭은 입자의 특정 붕괴가 분산되는 질량 범위를 나타낸다. 표준 모델에 따르면 Higgs boson의 경우 4.1 메가 전자 볼트 여야한다.  © M. Javurkova/ATLAS collaboration

아직 인식되지 않은 효과를 위한 공간이 좁아지고 있다.

결과: 두 팀 모두 검출기 데이터를 사용하여 Higgs 입자의 붕괴 폭을 결정하는 데 성공했다. CMS 협업은 3.2메가전자볼트, ATLAS 협업은 4.6메가전자볼트의 값을 제시했다. Higgs boson의 수명에 대해 이것은 다음을 의미한다. ATLAS로 측정한 4.6메가전자볼트의 붕괴 폭으로 180조분의 1초가 된다.

따라서 두 측정값 모두 표준 모델에서 예측한 4.1MeV(메가전자볼트)의 붕괴 폭 범위에 있으며 실제 값의 범위를 상당히 좁혔다. 따라서 아직 인지되지 않은 상호작용과 입자를 위한 공간은 그만큼 좁아진다. 그러나 두 측정값의 유의성은 3 시그마 정도에 불과하다. 입자 물리학에서는 신뢰할 수 있는 증명을 위해 최소 5 시그마의 값이 필요하다.

물리학자들은 이제 입자 가속기의 세 번째 런타임 데이터에서 더 명확한 값을 얻기를 희망하고 있다. 2022년 봄에 시작된 이 측정 단계에서는 양성자가 훨씬 더 높은 에너지와 충돌해 더 많은 힉스 입자가 생성되기 때문이다. 이것은 측정 가능한 힉스 붕괴의 수율을 증가시킨다.
(Nature Physics, 2022; doi: 10.1038/s41567-022-01682-0; Higgs 2022 Conference)
출처: CERN

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]