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- 2016년, LHC의 물리학자들 힉스입자가 바닥 쿼크와 타우 경입자로 붕괴하는 것 증명 성공
- 힉스가 기본력의 캐리어 입자뿐 아니라 물질 입자와도 상호 작용한다는 것 명백해져
- 힉스가 암흑 물질을 찾기 위한 환상적인 도구. 일명 힉스 포탈이라 부름

힉스와 다른 입자들 "힉스 입자의 상호작용 흔적"

"힉스 입자는 표준 모델의 초석이므로 이 입자에 대해 우리가 배우는 모든 것은 물리학의 기본 법칙의 핵심이다"라고 CERN 물리학자 매튜 맥컬로(Matthew McCullough)는 설명했다.

힉스는 누구와 소통할까?

힉스 입자의 발견 이후 결정적인 질문 중 하나는 힉스 입자의 상호작용에 대한 것이었다. 힉스는 이론에서 설명한 방식으로 다른 입자와 실제로 결합할까? 검출에서 연구된 모든 붕괴는 다른 보존(광자, W 및 Z 보존)과의 상호작용과 관련되었다. 그러나 만약 힉스가 우리가 찾고 있는 "질량 공여체" 입자라면, 그것은 또한 특정한 방식으로 쿼크 및 렙톤과 상호작용해야 한다. 후자는 전자와 더 무거운 "형제" 뮤온 및 타우 렙톤을 포함한다. 

▲ 힉스 입자는 입자 물리학의 표준 모델에서 중심적인 위치를 차지한다. © CERN/ Daniel Dominguez

2016년에 LHC의 물리학자들은 실제로 이러한 상호작용의 첫 번째인 힉스 입자가 바닥 쿼크와 타우 경입자로 붕괴하는 것을 증명하는 데 성공했다. 이것은 힉스가 기본력의 캐리어 입자뿐만 아니라 물질 입자와도 상호 작용한다는 것을 분명히했다. 실제로 힉스 입자의 가장 흔한 붕괴가 무엇인지 탐지하는 데 시간이 조금 더 걸렸다. ATLAS 협력의 대변인 칼 제이콥스는 설명했다. "힉스 퍼즐의 중요한 부분이다.“

입자 가속기에서 양성자 충돌 동안 생성된 많은 입자의 "건초 더미"에서 명확하게 입증하기 어려운 것은 바로 이러한 형태의 붕괴였다. 마침내 2018년에 이루어졌다. ATLAS 검출기와 LHC의 CMS 검출기는 힉스 입자가 5 시그마 이상의 의미를 지닌 두 개의 바닥 쿼크로 붕괴되었음을 증명하는 데이터를 전달했다.

그들 사이의 헤비급

결정적인 상호작용은 여전히 ​​존재하지 않았다. 이론에 따르면, 힉스 입자와 가장 무거운 입자인 탑 쿼크의 결합은 가장 강력해야 한다. 이것이 큰 질량을 얻는 방법이다. 이 경우 LHC의 일부 양성자 충돌은 상부 쿼크 및 반상부 쿼크와 함께 힉스 입자를 생성해야 한다.

그러나 소위 ttH 생성 과정은 극히 드물다. Max Planck Institute for Physics의 Sandra Kortner는 "힉스 입자의 1%만이 톱 쿼크와 함께 형성된다"고 설명한다. 탑 쿼크는 안정적이지 않기 때문에 붕괴 생성물을 통해서만 감지할 수 있다. 따라서 LHC에서의 측정은 2018년에야 필요한 중요성을 달성했다. "이 과정이 실험적으로 검증된 것은 이번이 처음이며 압도적인 중요성이 있다"라고 Jakobs는 보고했다.

ATLAS 협력 대변인은 "이 증거는 힉스 입자 연구의 이정표"라고 말했다. "우리는 이제 힉스 입자와 3세대 무거운 쿼크 및 경입자의 모든 결합과 이 입자의 모든 중요한 생성 유형을 관찰했다."

▲ ttH 사건의 입자 흔적 - 힉스 입자와 탑 쿼크의 상호 작용. © Thomas McCauley/ CMS collaboration

"힉스 포털"을 통해 암흑 물질로

그러나 이미 알려진 기본 입자와의 상호 작용보다 훨씬 더 흥미로운 것은 아직 알려지지 않은 기본 입자일 수 있다는 것이다. 표준 모델의 다른 입자와 달리 힉스 입자는 전하도 스핀도 없기 때문에 중성 입자와도 상호 작용할 수 있다. 아직 발견되지 않은 보존 유형. 많은 물리학자는 그러한 중성 입자가 오랫동안 찾아온 암흑 물질 입자일 수 있다고 의심한다.

CERN의 물리학자인 매튜 맥컬로(Matthew McCullough)는 "이것은 힉스가 암흑 물질을 찾기 위한 환상적인 도구가 되도록 한다. 우리는 이 기회를 힉스 포탈이라고도 부른다"라고 말했다. 무엇보다도 LHC의 일부 힉스 입자가 붕괴 생성물의 일부가 누락된 것처럼 보이는 사실을 통해 그러한 "어두운" 상호작용을 인식할 수 있다. 그들은 감지되지 않고 탈출하거나 알려진 감쇠 패턴에서 불균형을 생성한다.

지금까지 CERN의 물리학자들은 명백한 편차의 첫 징후를 발견했을 수 있다. 그러나 관련 내용에 대한 증거나 보다 정확한 정의와는 아직 거리가 멀다. 여기서 그들은 이제 시작되는 LHC의 세 번째 런타임 동안 더 나은 데이터와 증가된 Higgs 생산을 기대하고 있다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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