물리 [물리학] 지 프라임,렙토쿼크...새 입자가 LHC 실험결과 설명할까

지 프라임,렙토쿼크...새 입자가 LHC 실험결과 설명할까

B중간자(B0)가 왼편에서 오른쪽으로 날아가며 붕괴할 때 방출되는 입자가 여러 층으로 이뤄진 검출기(LHCb)에 검출되는 모습이다. B중간자가 붕괴되면 전자 또는 뮤온이 같은 확률로 방출된다고 알려져 있었는데 최근 이를 뒤집는 실험결과가 나왔다. CERN 제공

3월 23일 온라인으로 열린 한 물리학회(Ren contres de Moriond)에서도 새로운 기본 입자 발견 가능성이 제기됐다. 이 가능성은 스위스와 프랑스 국경지대 지하에 건설된 유럽입자물리연구소(CERN) 거대강입자충돌기(LHC)의 4개 검출기 중 LHCb를 이용해 B중간자(B meson)의 붕괴를 관측하던 중 발견됐다. 

B중간자는 6종류의 쿼크 중 바닥 쿼크(bottom quark)를 포함해 총 2개의 쿼크로 이뤄진 입자다. B중간자는 다양한 경로로 붕괴하는데, 그 중 매우 드물게 또 다른 중간자인 K중간자로 붕괴하면 기본입자인 전자와 전자의 반물질인 양전자로 구성된 ‘전자-양전자 쌍’이나, 또 다른 기본입자인 뮤온과 뮤온의 반물질인 반뮤온으로 구성된 ‘뮤온-반뮤온 쌍’이 방출된다. 전자와 뮤온이 방출될 확률은 지금까지 확립된 표준모형 이론에 따라 동일한 것으로 알려졌다. 전자와 뮤온이 모두 표준모형 상에서 렙톤(경입자)으로 분류되기 때문에, 이를 ‘렙톤  보편성(lepton universality)’이라 한다.

그런데 LHCb에서 2014년 렙톤 보편성에 어긋나는 실험결과가 처음으로 나왔다. B중간자가 전자로 붕괴된 것이 뮤온으로 붕괴된 경우보다 더 많다는 결과가 발표된 것이다. 렙톤 보편성이 틀렸다는 것은 곧 현재의 표준모형에서 잘못된 부분이 있다는 의미가 된다. 

LHCb 연구팀은 이후 2015~2018년 데이터까지 모두 종합해 재검토한 결과를 3월 말 논문 사전 공개 사이트인 ‘아카이브’에 발표했다. B중간자가 전자로 붕괴하는 경우는 뮤온으로 붕괴하는 경우보다 15% 더 많았다.

통계적 유의성은 3.1 시그마였다. 이는 측정값이 우연으로 나타났을 가능성이 약 1000분의 1이라는 뜻으로, 학계에서는 ‘증거’로써의 역할을 할 수 있다. 

LHCb 연구팀은 두 가지 가능성을 제시했다. 하나는 ‘지 프라임(Z prime)’이라는 새로운 입자의 존재 가능성이다. 지 프라임은 힘을 전달하는 운반체로 힘의 크기가 극도로 약해 지금까지 흔적이 보이지 않았지만, 전자와 뮤온에 다르게 상호작용하는 입자일 수 있다. 또 하나는 ‘렙토쿼크(leptoquark)’라는 새로운 입자다. 이 입자는 동시에 쿼크와 렙톤으로 붕괴하는 특성을 가졌을 수 있다. 또는 단순히 표준모형을 일부 보완해야 할 수도 있다.

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이번 연구결과가 과학적 발견으로 인정받기 위해서는 통계적 유의성이 5 시그마 이상을 달성해야 한다. LHC 뮤온압축솔레노이드(CMS) 검출기를 이용해 입자물리학 연구를 진행 중인 양운기 서울대 물리천문학부 교수는 “앞선 뮤온 자기모멘트 측정 실험값과 이번 B중간자 붕괴 실험값이 둘 다 이론과 어긋난 이유는 미지의 새로운 입자 때문일 수도 있지만, 서로 다른 요인 때문일 수도 있다”고 설명했다. 

LHCb는 대대적인 업그레이드를 거쳐 2022년부터 재가동 될 예정이다. arXiv: 2103.11769