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- 대형 강입자 가속기(LHC) 데이터, 기존의 불일치 주장 반박
- 중성미자는 LHC 검출기로는 감지할 수 없지만, 뮤온은 자기장에 반응해 포획될 수 있어
- 약력의 전달 입자인 W 보손의 질량은 표준 모형의 예측과 일치
- 더 많은 데이터를 추가하고 분석 기법을 더욱 정교하게 다듬는 분석 필요

W-Boson(보손), 결국 표준 모형에 부합해
대형 강입자 가속기(LHC) 데이터, 기존의 불일치 주장 반박

결론적으로 불일치는 없었다. 우리 표준 모형의 핵심 구성 요소인 약력의 전달 입자 W-보손의 질량이 예상보다 무겁지 않은 것으로 밝혀졌다. 이는 대형 강입자 가속기(LHC)에서 진행된 양성자 충돌 실험의 새로운 분석을 통해 입증됐다. 이 분석에 따르면, 약력의 전달 입자인 W 보손의 질량은 표준 모형의 예측과 일치한다. 이는 앞서 미국에서 발표된 측정 결과와는 상반되는 결과이며, 연구진은 이 내용을 학술지 "네이처(Nature)"에 발표했다. 그렇다면 이 발견은 기존의 불일치 주장을 완전히 반증하는 것일까? 

▲ 대형 강입자 가속기(LHC)의 CMS 검출기는 현재까지 가장 정밀한 W 보손 질량 측정 중 하나를 가능하게 했다. © CERN/Maximilien Brice

네 가지 기본 힘과 그 전달 입자는 우리 표준 모형의 근간을 이룬다. 하지만 그중 하나인 약력의 전달 입자 W-보손은 수년간 의문의 대상이었다. W-보손의 질량이 80,433.5 MeV(메가전자볼트) ±9.4로, 표준 모형에서 예측한 값보다 높은 것으로 나타났다. 적어도 미국 CDF 협력단이 테바트론(Tevatron) 입자 가속기 데이터를 이용해 측정한 결과에 따르면 그렇다. 표준 모형에 허점이 있는 것일까?

"만약 CDF의 측정 결과가 정확하다고 가정한다면, 우리는 표준 모형을 넘어서는 물리학이 존재한다고 가정해야 한다"고 매사추세츠 공과대학(MIT)의 공동 저자 크리스토프 파우스(Christopf Paus)는 말했다. 이전에도 W-보손 질량을 측정한 결과 표준 모형에 부합하는 낮은 값이 나왔지만, 2022년 결과만큼 정밀하지는 않았다.

W-보손 질량 측정 방법

이제 새로운 측정 결과가 나왔다. 이 W-보손 질량 값은 CDF 협력단의 측정값만큼 정밀하다. 이를 위해 CERN 연구센터의 CMS 협력단 소속 물리학자들은 대형 강입자 가속기(LHC)에서 발생한 10억 건 이상의 양성자 충돌 데이터를 분석했다. 그들은 W-보손이 생성된 후 중성미자와 뮤온으로 붕괴하는 사건을 찾았다. 공동 저자인 MIT의 케네스 롱은 "W-보손은 두 입자로 붕괴하기 전까지 아주 짧은 순간, 약 10⁻²⁴초 동안만 존재한다"고 설명했다.

▲ W 보손은 표준 모형의 힘 입자 중 하나이며, 약력의 매개체다. © Fermilab

중성미자는 LHC 검출기로는 감지할 수 없지만, 뮤온은 LHC의 CMS 실험에서 자기장에 반응하여 포획될 수 있다. 약 1억 1700만 건의 양성자 충돌에서 이러한 뮤온이 검출 및 측정되었다. W-보손의 질량은 뮤온의 운동량과 질량으로부터 구할 수 있다. 잠재적인 간섭을 제거하기 위해 물리학자들은 시뮬레이션을 통해 모든 가능한 영향을 재구성하고 데이터와 비교했다.
중성미자는 LHC 검출기로는 감지할 수 없지만, 뮤온은 CMS 실험의 자기장에 반응하여 포획될 수 있다.

결과: 큰 안도감

결과: 새로운 분석에 따르면, W-보손의 질량은 80,360.2 ± 9.9 메가전자볼트(MeV)이다. CMS 협력단의 물리학자들은 "이 결과는 표준 모형의 예측과 일치한다"고 밝혔다. 동시에, 새로운 값은 2022년에 측정된 값보다 상당히 낮다. 중요한 것은, 새로운 값의 정밀도가 테바트론의 CDF 측정 정밀도와 정확히 동일하다는 점이다.

▲ 현재 측정된 W 보손 질량(빨간색)과 이전 측정값들을 비교한 그림. 회색 음영 영역은 표준 모형에서 예측한 질량 범위를 나타낸다. © The CMS Collaboration/ Nature, CC-by 4.0

이는 W-보손의 질량이 표준 모형에 따라 정확히 일치한다는 가정을 강화하며, 2022년에 측정된 과도하게 높은 질량은 측정 오류와 관련된 이상치일 가능성이 있음을 시사한다. 롱 박사는 "이번 새로운 측정 결과는 우리가 표준 모형을 신뢰할 수 있다는 믿음을 더욱 강화시켜 준다. 솔직히 말해서, 큰 안도감이다"고 말했다. "우리의 매우 정밀한 결과와 이전 실험 결과들을 종합해 보면, 이전 실험 결과들 역시 표준 모형의 예측과 일치한다는 점이 이를 뒷받침한다." 이는 물리 이론에 대한 중요한 확증이다.

이는 W-보손의 질량이 표준 모형에 따라 정확히 일치한다는 가정을 강화하며, 2022년에 측정된 과도하게 높은 질량은 측정 오류로 인한 이상치일 가능성을 시사한다. 그런데도 롱 교수와 그의 동료들은 연구와 측정을 계속하는 것이 중요하다고 생각한다. 파우스(Paus)는 "아직 연구가 끝나지 않았다. 더 많은 데이터를 추가하고 분석 기법을 더욱 정교하게 다듬고 싶다"고 말하며, "그렇게 하면 우리 물리 세계관의 근본적인 구성 요소인 W-보손을 진정으로 이해했는지 더욱 확신할 수 있을 것이다"고 덧붙였다.

참고: Nature, 2026; doi: 10.1038/s41586-026-10168-5
출처: Nature, Massachusetts Institute of Technology

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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