물리 힉스 입자보다 더 희귀한 프로세스 검출

2014.07.21 17:06

졸리운_곰 조회 수:392

힉스 입자보다 더 희귀한 프로세스 검출

http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2014070733&service_code=03
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-07-21






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거대 하드론 충돌기(LHC)에서 ATLAS 실험을 수행하고 있는 과학자들은 최근 발견된 힉스 입자가 질량을 다른 기본 입자에 전달하는 메커니즘을 테스트하는데 사용할 수 있는 프로세스의 첫 증거를 발견하였다. 힉스 자체의 생산보다 더 희귀한, W 보존이라고 불리는 두 동일한 전하를 가진 입자가 서로 산란되는, 이 프로세스는 또한 입자 물리학의 표준 모델을 엄격히 테스트할 수 있게 해준다. 이들의 발견은 표준 모델의 예측과 지금까지 잘 일치하며, 연구 결과는 Physical Review Letters 저널에 발표되었다.

ATLAS 공동 연구의 결과 분석을 이끌고 있는 미국 에너지부 브룩하벤 국립 연구소의 물리학자인 Marc-Andre Pleier는 100조의 양성자-양성자 충돌이 발생하였을 때 단 1번만 이런 이벤트가 발생할 것이라고 말하였다. 문제를 더욱 어렵게 만드는 것은 이와 같은 희귀한 이벤트가 한 번의 발견으로는 충분하지 않다는 것이다. 발생률이 예측과 맞는지를 알기 위해서는 많은 관측이 필요하다는 것이다. 연구진은 LHC에서 생성된 수 많은 양성자-양성자 충돌에서 이런 이벤트의 증거를 찾기 위해 노력하였다고 말하였다.

이들 연구진은 분석은 2년 전에 시작되었으며 특히 브룩하븐 국립 연구소, 로렌스 버클리 국립 연구소, 미시간 주립 대학 그리고 독일 드레스덴 기술 대학의 연구진과 공동으로 진행되었다. 초기 연구 결과는 2014년 3월, “Rencontres de Moriond – QCD and High Energy Interactions” 컨퍼런스에서 발표되었다. 이제 전체 34개의 관측된 이벤트에 기반하여, 측정된 상호작용은 표준 모델에서 예측한 것과 잘 일치하였다. 표준 모델은 기본 입자와 그들의 상호작용을 기술하는 잘 알려진 이론이다.

표준 모델은 지금까지 모든 테스트에서 살아남았다. 그렇지만 우주의 암흑 물질, 암흑 에너지, 그리고 반물질/물질 비대칭의 관측은 표준 모델로서 완전하게 설명할 수 없다는 문제점이 있다. 따라서 물리학자들은 항상 이 이론을 테스트할 수 있는 새로운 방법을 항상 찾고 있다. W 보존 상호작용의 이런 프로세스는 결코 테스트될 수 없다고 연구진은 말하였다. 그 이유는 LHC를 제작할 때까지 이런 매우 희귀한 프로세스를 보기 위해 필요한 충분한 에너지 또는 충분히 많은 데이터 세트가 없기 때문이다.

이제 LHC 데이터로 분석한 결과, 측정된 실험치는 이론의 예측과 일치하며 3.6 시그마 수준에서 신호를 설정하였다. 이런 측정이 단순히 배경 요동일 확률은 1/6000으로 매우 낮다고 연구진은 말하였다. 그러나 물리학자들은 불확실성을 줄이고 신뢰 수준을 높이기 위해서 더 많은 데이터를 수집하기를 원하고 있다. 이런 탐구를 계속하는데는 다른 이유가 더 있다. 이런 프로세스를 측정함으로써, 연구진은 그들이 발견한 힉스 입자가 예상한 대로 거동하는지를 점검할 수 있기 때문이다. 기본 입자들이 어떻게 질량을 얻는지를 설명하기 위해 힉스 메커니즘에 더해 다양한 모델들이 존재한다. 그와 같은 산란 프로세스의 측정은 표준 모델의 기본적인 테스트와 새로운 물리학을 열어 주는데 기여할 수 있을 것이다.

힉스 메커니즘을 테스트하기 위해서, 과학자들은 W 산란 프로세스의 붕괴 분포를 비교하였다. 연구진은 그것은 일종의 지문과 같은 것이라고 말하였다. 연구진은 그런 지문을 예측하였고 측정하였다고 말하였다. 지문이 만약에 일치하면, 힉스가 예측된 방식으로 질량 생산을 한 것이며, 그것이 예측에서 벗어나면 일부 다른 물리 메커니즘이 관여하여 예측된 이론에서 벗어나게 한 것이라고 연구진은 설명하였다.

처음으로 연구진은 일부 특정한 모델 또는 예측을 제외시킬 수 있었다. 그들의 연구를 끝마치기 위해서, 더 높은 에너지의 데이터를 더 많이 필요하다고 말하였다. LHC는 증가된 충돌 에너지에서 데이터 수집을 다시 개시할 것이다. 2015년 봄에 8TeV 대신에 13 TeV를 사용할 것이다. 수집된 데이터세트는 현재 이용 가능한 데이터의 크기 보다 150배 더 증가할 것이며, 이런 방대한 데이터를 바탕으로 힉스가 하는 거동을 자세히 관측할 수 있게 될 것이다.

첨부그림: 거대 하드론 충돌기에서 ATLAS 검출기의 WW-WW 산란 가능한 이벤트.

         
자료를 가져가실 때에는 출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』을 밝혀 주시기 바랍니다.

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