100억 번에 한 번 일어나는 ‘입자 붕괴’ 흔적 포착했다

CERN 국제 공동연구팀 실험 ‘Bd중간자’ 희귀 붕괴 증거 잡아… 입자물리학 표준모형 예측 적중 40년 추적 끝 실험적 기반 확대… 미지 암흑물질 규명에 도움될 듯 스위스 제네바와 프랑스 국경지대에 위치한 유럽입자물리연구소(CERN)의 대형강입자충돌기바닥쿼크(LHCb) 실험 현장. CERN 제공 물리학자들이 100억 번 중에 1번 일어날 것으로 예상되는 희귀한 입자 붕괴 현상의 증거를 포착했다. 새로운 물리 법칙의 증거를 발견한 것은 아니지만 기존 입자물리학 이론인 표준모형의 예측 결과와 일치하는 것으로 나타나면서 이번 실험 결과가 앞으로 새로운 물리학 실험과 이론 탐색에서 중요한 기준으로 활용될 것이라는 기대가 나온다. 유럽입자물리연구소(CERN)는 대형강입자충돌기바닥쿼크(LHCb) 국제 공동연구팀이 매우 희귀한 입자 붕괴의 증거를 단일 실험에서 처음으로 포착했다고 3일 발표했다. 연구논문은 10월 30일(현지 시간) 논문 사전공개 사이트 ‘아카이브(arXiv)’에 공개됐고 현재 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 X’에 투고된 상태다. 표준모형은 전자나 쿼크, 중성미자 등 물질을 구성하는 기본입자와 이들 사이에 작용하는 힘을 설명하는 이론이다. 2012년 ‘힉스 입자’의 존재가 실험으로 드러나면서 표준모형이 예측한 기본입자들이 모두 확인됐지만 암흑물질·암흑에너지의 정체나 물질과 반물질의 비대칭 현상 등 표준모형만으로는 설명하기 어려운 물리학 난제들이 여전히 존재한다. LHCb 연구팀은 대형강입자충돌기(LHC)를 활용해 입자의 미세한 변화를 정밀하게 관찰하고 표준모형으로 설명할 수 없는 새로운 물리 법칙을 찾는 것이 주요 목표다. ‘B중간자(B meson)’라는 입자가 시간이 흘러 다른 입자로 변하는 붕괴 현상을 집중적으로 연구한다. 표준모형이 예측한 B중간자의 붕괴 확률이나 수명이 실제 측정값과 다르다면 아직 발견하지 못한 새로운 입자나 상호 작용이 영향을 미쳤다는 단서가 될 수 있다. 쿼크는 총 6종이 존재하는 기본입자다. 중간자는 쿼크와 쿼크의 반물질인 반쿼크가 하나씩 결합한 입자를 말한다. 반물질은 물질과 질량은 같지만 전하 등 일부 물리적 성질이 반대다. B중간자의 일종인 ‘Bd중간자’는 ‘바닥 쿼크’와 ‘반아래 쿼크’가 결합한 형태로 붕괴할 때 매우 드문 확률로 ‘뮤온’과 ‘반뮤온’으로 붕괴한다. 뮤온은 전자와 전기적 성질이 비슷하지만 질량이 약 207배 큰 기본입자고 반뮤온은 뮤온의 반물질이다. 바닥 쿼크...