▲ 그림설명: LHC에 있는 LHCb 실험의 뮤온 검출기 내부     © 특허뉴스

서로 다른 두 실험에서 똑같이 관찰된 편차를 거대강입자충돌기가 발견했지만, 발견을 주장하기 위해서는 더 많은 데이터가 필요하다.
거대강입자충돌기 LHC(Large Hadron Collider)에서 나온 흥미로운 신호가 표준모형에 결함이 존재한다는 증거가 될지도 모른다. 표준모형은 현재 물질과 힘이 어떻게 상호작용을 하는지에 대한 물리학자들의 최선의 설명이다. 유럽입자물리학연구소 CERN의 충돌기에서 2011~2012년 사이에 수집된 데이터를 분석한 결과 B-메손(mesons)이라는 단명 입자는 특정한 붕괴 과정에서 뮤온보다는 타우(taus)를 더 빈번하게 만든다는 것이 암시되었다. 타우와 뮤온은 전자의 무거운 사촌이다. 그러나 표준모형에서는 입자의 질량차이를 고려할 때 붕괴가 정확히 동일한 비율로 발생할 것이라고 이야기한다. 이번 발견은 이번 달에 ‘Physical Review Letters’에 발표될 예정이며 지난 6월 이후로 ‘arXiv’ 사전배포 서버에 게시되었다.
충돌기의 LHCb 실험에서 발견된 이러한 붕괴비율 불일치는 작아서 발견으로 주장될 수 없다. 그 이유는 이러한 편차는 단지 통계적 변동일지도 모르며 B-메손 붕괴에 관한 데이터가 더 많이 수집되면 없어질 수도 있기 때문이다. 입자물리학에서 발견을 주장하기 위한 일반적인 한계는 통계적인 용어로 5 시그마(sigma)이다. LHCb 신호는 겨우 2.1 시그마에 불과하다. 그런데도 물리학자들이 흥분하는 이유는 동일한 편차가 앞선 2개의 실험 결과에서도 관찰되었기 때문이다. 두 실험은 2012년에 보고된 SLAC 국립가속기연구소의 ‘BaBar` 실험과 지난 5월에 최신결과가 보고된 일본 고에너지가속기연구기구(KEEK)의 "Belle` 실험이다. LHCb의 실험결과는 앞선 두 실험과 딱 들어맞는다고 이번 실험에 참여하고 있는 임페리얼컬리지런던(Imperial College London)의 물리학자 미테쉬 파텔(Mitesh Patel)은 말했다. “단일 측정에서 2시그마의 차이는 그 자체로 흥미롭지는 않다. 그러나 서로 다른 실험에서 서로 다른 사람에 의해 독립적으로 수행된 서로 다른 종류의 붕괴에서 잇따라 2시그마 차이가 발견된 것은 매우 호기심을 자아낸다”고 LHCb 공동연구팀의 일원이자 영국 리버풀대(University of Liverpool)의 입자물리학자 타라 쉬어스(Tara Shears)는 말했다.
작년에 LHCb에서는 또 다른 종류의 B 메손 붕괴에서 2.6시그마의 비슷한 편차를 발견했으며, 이때는 뮤온보다는 전자로의 붕괴가 더 많았다. 두 측정이 매우 흥분되는 이유는 만약 이러한 결과들이 사실로 증명된다면 그것은 근본적으로 새로운 물리학을 암시할 수 있기 때문이라고 쉬어스는 말했다. 예를 들어, 두 편차들은 전하를 가지며 붕괴와 관련된 다양한 입자들과 서로 다르게 상호작용을 하는 또 다른 종류의 힉스 보손(Higgs boson)을 가정함으로써 설명될 가능성이 있다. 가능성 있는 수많은 설명들 중 단 하나에 불과할 뿐이라고 파텔은 말하지만, 표준모형의 확장을 모색하기 위한 인기있는 이론인 초대칭성(Supersymmetry)이 그와 같은 다수의 힉스 보손을 예측하고 있으며 그 신호가 사실임을 증명할 것 같다. CMS라고 불리는 또 다른 LHC 실험의 물리학자인 돈 링컨(Don Lincoln)은 이 발견이 아직까지는 통계적 변동이거나 실험에서 부적절하게 측정되었을 가능성이 가장 크다고 경고한다. 그러나 여러 장소에서 불일치가 관찰되었기 때문에 사람들의 주목을 끌고 있다. “이것은 분명히 더 자세히 연구되어야 할 무언가이다”라고 그는 말했다.
이번 발견은 LHC의 첫 번째 가동 중에 나온 데이터를 토대로 한 것이며, 6월에 시작된 충돌기의 2차 가동에서 나온 비슷한 양의 데이터를 수집하기 위한 1년 동안은 물리학자들이 기다려야 할 것이다. 한편, LHCb 팀은 더 많은 편차가 나타나는지를 확인하기 위하여 기존 데이터에서 다른 유사한 붕괴를 조사할 계획이라고 파텔은 말했다. CMS와 LHC 실험 ATLAS의 물리학자들은 자신들만의 흥미로운 결과를 추적하고 있다. 알려져 있는 붕괴에 대한 간접적인 영향을 통해 새로운 입자들을 탐색하려는 LHCb와는 달리, 그들은 새로운 입자들을 직접 탐색하고 있다. CMS와 ATLAS 모두 대략적으로 약 2 TeV 근처의 동일한 질량 범위 내의 자신들의 데이터에서 중요도가 낮은 불규칙성을 관찰하였다. 비록 이 발견들이 완전히 일치하는지는 명확하지 않지만, 이것은 새로운 입자의 붕괴로 인한 것일지 모른다. ‘arXiv’에서 구할 수 있는 ATLAS의 최근 발표 논문에서는 이 신호의 통계적 의미를 3.4 시그마로 발표했다.
1970년대 이후로, 실험이 수행되어 표준모형의 정확성이 다시 증명되었다. 그러나 중력과 암흑물질과 같은 현상을 설명하는데 실패함으로써, 물리학자들은 표준모형이 더 근본적인 또 다른 설명의 근사적인 설명에 불과하다는 생각을 하게 되었다. LHCb의 결과가 경쟁 실험들에서 관찰된 결과보다는 더 설득력이 있다는 것을 발견했지만, 더 많은 데이터와 분석결과가 나와서 어느 쪽이든 사실로 드러난다면 행복할 것이라고 파텔은 말했다. “표준모형은 너무 오랫동안 정체되어 있었으며, 우리가 어떤 식으로든 쓰러뜨릴 것”이라고 그는 말했다.<출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>
 
 
 
 

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