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- 우주에 존재하는 거의 모든 현상은 물질과 복사의 기본 구성 요소인 입자에 기인
- 뷰티 쿼크 붕괴는 발생 확률이 100억 번의 붕괴 중 단 한 번에 불과할 정도로 드물어
- 표준모형이 예측한 이 극도로 희귀한 뷰티 쿼크의 붕괴 경로를 명확히 입증한 것은 이번이 사상 최초

물리학자들이 뷰티 쿼크의 가장 희귀한 붕괴를 감지하다

100억 번의 붕괴 중 단 한 번 일어나는 이 반응에서는 무거운 쿼크와 가벼운 다운 반쿼크가 두 개의 뮤온으로 붕괴한다. 이 현상이 주목받는 이유는, 이토록 희귀한 붕괴 과정이 아직 알려지지 않은 미지의 입자나 새로운 힘의 존재, 즉 '신물리학'의 단서를 제공할 수 있기 때문이다. 

▲ CERN 연구센터의 물리학자들이 오랫동안 찾아 헤매던 뷰티 쿼크(b)와 다운 반쿼크의 접촉 후 발생하는 붕괴 현상을 최초로 입증했다. 이 과정에서 뮤온과 반뮤온이 생성된다. · 사진: © Daniel Dominguez/ CERN (약간 수정됨)

우주에 존재하는 거의 모든 현상은 물질과 복사의 기본 구성 요소인 입자에 기인하며, 이러한 입자들은 모든 것에 질량을 부여하고 기본 힘을 매개한다. 입자물리학의 표준모형은 알려진 모든 입자와 그 반물질 대응물을 나열하고 있지만, 암흑물질이 무엇으로 이루어져 있는지, 왜 물질이 반물질보다 더 많은지, 무엇이 암흑에너지를 구동하는지 등의 의문은 여전히 설명하지 못한다. 따라서 물리학자들은 수십 년 동안 표준모형에 아직 포착되지 않은 입자나 힘, 즉 새로운 물리학의 징후를 찾아 헤매고 있다.

뷰티 쿼크가 다운 반쿼크를 만날 때

CERN 제네바 인근의 LHC 입자 가속기 연구진은 새로운 물리학을 밝혀낼 수 있는 매우 민감한 지표로 꼽히는 현상을 마침내 포착했다. 이 붕괴의 출발점은 양성자와 중성자를 구성하는 쿼크 계열 중 두 번째로 무거운 '뷰티 쿼크'와, 원자핵에서도 발견되는 쿼크의 반물질 버전인 '다운 반쿼크'의 조합이다.

이 쿼크 조합은 극도로 불안정하여, 뷰티 쿼크와 다운 반쿼크가 즉시 서로를 상쇄시키며 전자의 더 무거운 '사촌'인 뮤온과 반뮤온을 방출한다. CERN의 LHCb 협력단 연구원들은 이 뷰티-다운 조합의 붕괴가 새로운 물리학을 찾기 위한 '황금 채널'로 오랫동안 여겨져 온 극도로 희귀한 입자 붕괴 그룹에 속한다고 설명했다.

40년 이상 이어진 추적과 100억 분의 1의 확률

그러나 이 특수한 뷰티 쿼크 붕괴는 발생 확률이 100억 번의 붕괴 중 단 한 번에 불과할 정도로 극도로 드물기 때문에 그동안 명확하게 증거를 포착하기 어려웠다. 연구팀 소속 마르코 산티마리아(Marco Santimaria)는 "물리학자들은 40년 이상 이 붕괴 현상을 쫓아왔으며, 수많은 배경 잡음 속에서 생성된 뮤온을 걸러내기 위해 극도의 정밀도가 요구된다"고 설명했다. 

▲ 뷰티 쿼크(또는 바닥 쿼크)는 표준 모형에 존재하는 6가지 쿼크 중 하나다. 양성자와 중성자 같은 물질의 기본 구성 요소는 뷰티 쿼크와 바닥 쿼크로 이루어져 있다. — © 페르미 국립 가속기 연구소

2015년에도 LHC 가속기의 양성자 충돌 데이터를 분석하는 과정에서 이 희귀한 붕괴의 초기 단서가 포착된 듯 보였다. 그러나 후속 충돌 데이터 분석에서는 이를 확인할 수 없었고, 오랫동안 찾던 뷰티-반다운 붕괴는 여전히 미지의 영역으로 남았다.

세계 최대 가속기를 통한 마침내 성공한 포착과 향후 과제

하지만 최근 LHC 가속기와 검출기의 성능 개량 덕분에 LHCb 연구진은 마침내 그토록 찾아 헤매던 쿼크 붕괴를 명확히 입증해 냈다. 연구진은 2024년과 2025년에 13.6 테라전자볼트(TeV) 에너지로 양성자가 충돌한 데이터를 분석했다. 향상된 센서와 AI 기반 분석 프로그램을 활용하여, 무수한 충돌 산물 중에서 뷰티 쿼크와 다운 반쿼크가 붕괴할 때 생성되어야 하는 뮤온-반뮤온 쌍을 정확히 골라낼 수 있었다. 

▲ 곡선의 작은 녹색 돌출부는 뷰티 쿼크와 다운 반쿼크가 두 개의 뮤온(B0 --> μ+ μ-)으로 붕괴하는 경로를 보여준다. — © CERN/LHCb Collaboration, /CC-by 4.0

실제로 연구진은 ????0→????+????−사건에서 유의미한 초과 현상을 관측했으며, 체계적인 불확실성을 고려했을 때 3.0 표준편차(시그마)의 유의성을 보였다고 보고했다. 가속기의 이전 가동 데이터와 결합했을 때 이 유의성은 3.2 표준편차로 상승했다. 입자물리학에서 3 시그마는 관측 결과가 유효하다고 인정받는 임계값이며, 이 결과가 우연이나 통계적 변동일 확률은 약 0.27%에 불과하다.

LHCb 협력단의 해리 클리프(Harry Cliff)는 "이 희귀한 붕괴를 목격하는 것은 믿을 수 없을 정도로 흥분되는 일"이라고 소감을 밝혔다. 표준모형이 예측한 이 극도로 희귀한 뷰티 쿼크의 붕괴 경로를 명확히 입증한 것은 이번이 사상 최초이며, 이를 통해 이론적 예측과의 미세한 차이를 분석하여 새로운 물리학의 단서를 찾는 길이 열렸다.

연구팀은 향후 LHC 가속기와 검출기 확장을 통해 데이터 수집률을 더욱 높여 더 많은 붕괴 현상을 관측하려고 한다. 2030년대 중반까지 LHCb의 업그레이드를 통해 데이터 수집률을 한 자릿수 이상 높이고, 궁극적으로 신뢰도를 공식적인 발견 기준인 5 표준편차(5 시그마)까지 끌어올리는 것이 목표다.

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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