CERN의 LHCb 실험에 참여한 물리학자들은 약 100억 번의 붕괴 중 한 번 일어날 정도로 희귀한 입자 붕괴의 증거를 발견하며 40년 넘게 이어진 탐색을 마무리했다.
이번 결과는 대형강입자충돌기 내부의 고에너지 양성자 충돌에서 생성되는 뷰티 입자, 즉 바닥 쿼크를 포함한 단명 하드론에 관한 것이다. 협력단은 이번 주 이 관측을 보고했다.
희귀 붕괴를 추적할 가치가 있는 이유
희귀 붕괴는 희귀하기 때문에 유용하다. 표준모형에서는 특정 붕괴의 확률을 높은 정밀도로 계산할 수 있다. 실험이 예측과 다른 비율을 측정한다면 그 차이는 아직 관측되지 않은 입자나 힘을 가리킬 것이다.
따라서 예상된 비율로 붕괴를 찾는 것은 표준 그림이 깨졌을 수도 있는 지점에서 여전히 유효함을 시험하는 일이다. 또한 다른 비율을 예측했던 여러 제안 모형들을 배제한다.
측정 방법
LHCb 검출기는 양성자 충돌에서 생성된 입자를 식별하고 짧은 거리에서 그 경로를 추적하도록 설계됐다. 뷰티 입자는 1나노초의 일부 안에 검출기 내부에서 붕괴하므로, 이 실험은 정밀한 추적과 입자 식별에 의존해 무엇이 생성되고 어떻게 붕괴했는지 재구성한다.
신호를 배경에서 분리하려면 수년간의 가동으로 수집한 매우 큰 데이터셋을 분석해야 했다. 협력단은 이번 결과가 표준모형과 일치하며, 이 측정이 이제 여러 부류의 신물리 모형에 더 엄격한 한계를 설정한다고 밝혔다.
앞으로의 계획
대형강입자충돌기는 충돌 빈도와 기록 데이터량을 늘리기 위한 업그레이드 기간에 들어간다. 더 많은 데이터는 LHCb가 이번 관측을 확인하고 관련 붕괴를 더 높은 정밀도로 측정할 수 있게 해줄 것이다.
물리학자들은 접근 가능한 에너지에서 신물리가 존재한다면 표준모형에서 크게 억제되는 과정에서 먼저 나타날 것이라고 오랫동안 기대해 왔다. 지금까지 그러한 탐색은 편차가 아닌 일치를 발견했으며, 이는 그 자체로 결과다. 새로운 입자가 숨을 수 없는 곳을 이론가들에게 알려주기 때문이다.