현대물리학 표준모형 깨지나…과학계 새 입자 ‘렙토쿼크’ 발견 가능성에 주목

유럽입자물리연구소(CERN)의 LHCb 연구팀이 표준모형에 없는 새로운 입자가 존재할 가능성을 발견했다. 사진은 LHCb에서 B 메존 입자가 전자와 양전자로 붕괴되는 모습. CERN 제공

현대 입자물리학의 경전으로 불리는 ‘표준모형’에는 없는 새로운 입자가 발견된 것일까. 유럽입자물리연구소(CERN)의 LHCb 연구팀이 22일 논문 사전 공개 사이트인 ‘아카이브(arXiv)’에 올린 논문이 물리학계를 흥분시키고 있다. BBC는 23일(현지시간) “우리를 둘러싼 세상을 설명하는 가장 정교한 이론인 표준모형에 금이 갈 수 있는 발견”이라고 평가했다. 

표준모형은 물질을 구성하는 기본 입자와 이들 사이의 상호작용을 설명하는 현대 입자물리학의 핵심이론이다. 쿼크 6개와 렙톤 6개, 이들을 매개하는 입자 4개 등 16개의 기본입자와 이들에 질량을 부여하는 힉스까지 총 17개의 입자로 세상의 모든 현상을 설명한다. 

CERN은 2010년 둘레 27km의 거대강입자가속기(LHC)에서 양성자끼리 충돌시키는 실험을 진행해 표준모형의 17개 입자 중 마지막까지 발견되지 않던 힉스를 2012년 발견해 표준모형을 완성시켰다. 그런데 이번에는 표준모형에도 없는 가상의 입자인 ‘렙토쿼크(leptoquark)’의 존재 가능성이 제기된 것이다. 양운기 서울대 물리천문학부 교수(CERN CMS 한국팀 대표)는 “이번 측정 결과가 맞다면 힉스 발견보다 더 큰 발견이 될 수도 있다”고 말했다. 

이번 연구는 LHC의 4개 검출기 중 하나인 LHCb 실험 데이터에서 나왔다. LHCb에서는 바닥쿼크가 다른 쿼크와 짝을 이룬 입자인 B 메존이 생성된다. 표준모형에 따르면 B 메존의 바닥쿼크는 뮤온 2개나 전자 2개로 붕괴되는데, 둘의 발생 확률이 같아야 한다. 

연구팀이 2011~2018년 LHCb의 충돌 데이터를 분석한 결과 뮤온 붕괴가 전자 붕괴보다 15% 더 적게 일어났다. 이는 표준모형에서 설명하는 사건 외에 새로운 종류의 사건이 생길 수 있음을 의미하고, 연구팀은 그 가능성으로 표준모형에는 없는 렙토쿼크라는 입자가 존재할 수 있다고 설명했다. 

연구를 이끈 미테시 파텔 영국 임페리얼칼리지런던 교수는 BBC에 “처음 결과를 확인했을 때 몸을 떨 정도로 흥분했다”며 “표준모형을 넘어선 새로운 발견이라고 단정하기는 이르지만, 입자물리학 연구에 몸담은 20년간 가장 흥미로운 발견임은 확실하다”고 말했다. 

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LHCb 검출기가 설치된 유럽입자물리연구소(CERN)의 거대강입자가속기(LHC) 내부. CERN 제공

렙토쿼크의 존재 가능성이 이번에 처음 제기된 건 아니다. 연구팀은 2년 전에도 동일한 결과를 한 차례 발표한 바 있다. 다만 당시에는 입자 발견의 신뢰도가 2.5시그마(σ)로 낮은 편이었다. 연구팀은 2017~2018년 LHCb의 충돌 데이터를 추가해 데이터 분석량을 80% 늘려 이번에는 신뢰도를 3시그마로 높였다. 이는 1000번 실험할 때 가짜 신호가 한 번 나오는 수준이라는 의미다. 

양 교수는 “입자물리학에서는 입자 발견의 신뢰도가 5시그마일 경우 사실상 발견으로 인정하며, 이는 350만 번 실험에서 가짜 신호가 한 번 나오는 수준”이라며 “이번 발견은 서로 다른 방식으로 상호작용하는 새로운 입자나 힘이 존재할 가능성이 있다는 뜻”이라고 설명했다. 

LHCb 연구진은 내년에 CERN이 LHC를 재가동하면 추가로 데이터를 얻어 분석할 계획이다. 콘스탄티노스 페트리디스 영국 브리스톨대 교수는 BBC에 “인류는 여전히 우주의 많은 부분을 이해하지 못하고 있어 새로운 발견이 기대가 된다”며 “우주를 구성하는 95%의 물질이 무엇인지 모르고, 심지어 물질과 반(反)물질의 비율이 그토록 차이가 나는 이유도 모른다”고 말했다.