CERN의 LHCb 실험 물리학자들이 약 100억 건당 한 번꼴로 일어나는 입자 붕괴의 첫 증거를 발견해, 1984년 시작된 탐색을 마무리했다.
100억 개의 건초더미 속 바늘
이 붕괴는 B0에서 두 뮤온으로 표기된다. 즉 뷰티 쿼크를 포함한 단명 입자인 B0 중간자가 전자의 무거운 사촌인 뮤온 쌍으로 변하는 것이다. 표준모형은 이것이 B0 붕괴 약 100억 건당 한 번꼴로 일어날 것으로 예측한다.
CLEO 실험은 1984년 이 비율에 대한 첫 상한선을 설정했다. 이후 여러 세대의 검출기가 이를 탐색해 왔다. 뷰티 쿼크는 LHC 충돌에서 엄청난 수로 생성되지만 약 1.5조분의 1초만 생존하므로, 신호를 거대한 배경 속에서 끌어내야 한다.
5 시그마가 아닌 3 시그마
이 결과의 통계적 유의성은 3.2 시그마다. 이는 증거로 간주되지만, 입자물리학에서 발견이라고 부르기 위해 요구되는 5 시그마에는 미치지 못한다.
새 데이터만으로 팀은 분기비를 약 100억 건당 1.26으로 측정했으며, 통계적 불확실성은 약 0.5다. 공동 연구진은 관련된 B0s에서 두 뮤온으로의 붕괴에 대한 개선된 측정치도 보고했다. 논문은 피지컬 리뷰 X에 게재 예정이다.
중요한 이유
희귀 붕괴는 아무도 본 적 없는 입자에 민감하다. 뷰티 쿼크와 결합하는 새로운 물리학은 그 비율을 표준모형 예측에서 벗어나게 할 것이다. 지금까지 측정치는 예측과 일치하며, 이는 그 자체로 유용하다. 더 큰 효과를 기대했던 모형들을 제약하기 때문이다.
공동 연구진의 한 구성원은 이 정밀도를 젭토 세계의 문을 두드리는 것이라고 표현했다. 고휘도 LHC 업그레이드에서 나오는 더 많은 데이터는 측정치를 5 시그마 이상으로 끌어올리고 오차 범위를 좁힐 것이다.
이 결과는 탐색이 시작된 이후 이 분야가 얼마나 멀리 왔는지도 보여준다. 1984년의 질문은 그런 붕괴가 존재하기는 하는지였다. 이제 질문은 그 비율이 소수점 둘째 자리까지 이론과 일치하는지이며, 바로 그 지점에서 새로운 입자의 흔적이 나타날 것이다.