수십억 번의 입자 붕괴 속 희미한 신호
CERN의 LHCb 실험은 2024년과 2025년에 수집한 충돌 데이터를 이용해 중성 B 중간자가 두 개의 뮤온으로 붕괴하는 극히 드문 현상의 증거를 단일 실험에서 처음으로 보고했다. 이전 측정 결과와 결합하면 신호의 통계적 유의도는 3.2 표준편차에 이른다. 이는 증거로 인정되기에는 충분하지만, 물리학자들이 관측이라고 부르기 위해 요구하는 기준에는 못 미친다.
목차
이 결과는 2026년 LHCb 공동연구진이 11월 3일 발표에서 공개했다. 1984년 시작된 탐색을 진전시킨 결과다. 이 붕괴는 B0 → μ+μ−로 표기하며 Bd → μ+μ−라고도 한다. 바닥 쿼크 또는 반쿼크를 포함한 입자가 뮤온과 그 반입자로 변하는 현상이다.
알려진 기본 입자와 그 상호작용을 설명하는 이론인 표준모형은 B0 중간자가 약 100억 번 붕괴할 때 이 현상이 한 번 일어날 것으로 예측한다. 이처럼 극히 드물다는 점이 오히려 이 과정을 유용하게 만든다. 아직 발견되지 않은 입자가 붕괴 확률을 충분히 바꾸면 정밀 실험에서 그 변화를 포착할 수 있기 때문이다.
LHCb는 관련 붕괴인 Bs0 → μ+μ−의 확률과 유효 수명도 지금까지 가장 정밀하게 측정했다고 보고했다. 두 결과 모두 표준모형과 일치한다. 이 결과들은 함께, 이미 알려진 입자 너머에 새로운 입자가 있다고 제안하는 이론을 연구자들이 더 정밀하게 검증할 수 있는 수단을 제공한다.
정확히 무엇이 사라지는가?
B 중간자는 쿼크와 반쿼크로 이뤄진 수명이 짧은 입자다. B0와 Bs0는 같은 계열에 속하지만, 더 가벼운 쿼크 성분이 다르다. 하나는 다운형 쿼크, 다른 하나는 스트레인지 쿼크를 포함한다. 성분 차이는 두 입자가 뮤온 쌍을 만들어내는 빈도에 영향을 준다.
뮤온은 전자와 비슷하지만 더 무거운 기본 입자다. 이 붕괴에서 만들어지는 두 뮤온은 서로 반대 전하를 띤다. 연구자들은 뮤온의 궤적을 찾고 측정한 특성을 이용해 뮤온을 만들어낸 입자의 질량을 재구성한다.
표준모형은 Bs0 붕괴가 10억 번 중 약 세 번 일어날 것으로 예측한다. 이는 B0 붕괴보다 약 30배 높은 빈도다. 분기비라고 부르는 이 확률은 특정 종류의 중간자 가운데 주어진 붕괴 경로를 따르는 비율을 나타낸다. 대부분의 B 중간자는 다른 경로로 붕괴하므로, 찾으려는 신호는 훨씬 많은 입자 속에 묻혀 있다.
왜 증거로 인정되는가
LHCb는 2024년과 2025년 데이터만으로 통계적 유의도 3 표준편차를 얻었다. 대형강입자충돌기의 이전 가동 기간인 런 1과 런 2 데이터를 더하자 그 값은 3.2로 높아졌다.
통계적 유의도는 데이터가 배경만으로 설명되는 경우보다 신호가 있다는 쪽을 얼마나 강하게 뒷받침하는지를 나타낸다. 값이 클수록 배경의 무작위 변동만으로 그만큼 두드러진 결과가 나올 가능성은 작아진다. 입자물리학자들은 통상 3 표준편차를 증거의 기준으로, 5 표준편차를 관측의 기준으로 삼는다.
공동연구진이 사용한 표현은 의도적으로 구체적이다. 이번 결과는 B0 → μ+μ−에 대해 단일 실험에서 처음으로 확보한 증거다. LHCb와 CMS의 공동 분석은 2015년에 이미 증거를 보고했지만, 이후 분석에서는 당시의 징후가 확인되지 않았다.
이번 측정으로 새로운 데이터에서 탐색 결과가 다시 증거 기준을 넘어섰다. 다음 통계적 목표는 5 표준편차다. LHCb는 그 기준에 도달할 시점을 밝히지 않았다.
1984년부터 2026년까지 이어진 탐색
연구자들은 여러 세대의 실험을 거치며 이 희귀 붕괴를 추적해 왔다. 더 자주 일어나는 Bs0 붕괴가 먼저 관측 기준에 도달해, 더 어려운 B0 탐색의 토대를 마련했다.
- 1984년: B0 → μ+μ− 탐색이 시작됐다.
- 2012년 11월: LHCb가 Bs0 → μ+μ−에 대해 3.5 표준편차의 증거를 보고했다.
- 2015년 5월: LHCb와 CMS의 공동 분석에서 Bs0 붕괴가 6.2 표준편차로 관측됐고, B0 붕괴의 초기 징후도 보고됐다.
- 2017년 2월: LHCb 단독으로 Bs0 붕괴를 7.8 표준편차로 관측했다.
- 2018년까지 수집한 데이터를 사용한 후속 분석에서는 앞서 보고된 B0 붕괴의 징후가 확인되지 않았다.
- 2024년과 2025년: LHCb가 최신 분석에 사용된 새 데이터를 수집했다.
- 2026년 11월 3일: LHCb가 새 데이터에서 B0 붕괴의 증거를 3 표준편차로, 이전 가동 기간 데이터를 결합하면 3.2로 발표했다.
이력은 연구자들이 증거와 관측을 신중히 구분하는 이유를 보여준다. 유망한 신호도 추가 데이터가 필요하며, 이후 측정에서 그 신호가 강화될 수도, 인정된 기준 아래로 내려갈 수도 있다.
검출기가 뮤온 쌍을 찾는 방법
LHCb의 업그레이드된 검출기는 2010~2018년보다 약 5배 빠른 속도로 데이터를 수집한다. B0 중간자 100억 번의 붕괴 중 한 번만 일어날 것으로 예상되는 현상을 찾으려면 분석에 쓸 수 있는 충돌 데이터를 더 많이 기록하는 것이 필수적이다.
VELO로 알려진 정점 검출기는 입자가 어디서 만들어지고 어디서 붕괴했는지 식별하는 데 도움을 준다. 리버풀대학교가 조립한 이 검출기는 LHC 빔에서 불과 5밀리미터 떨어진 곳에서 작동한다. 정밀한 궤적 측정으로 연구자들은 1초의 극히 짧은 시간 동안만 존재하는 입자의 붕괴 지점을 찾을 수 있다.
기계학습은 유망한 뮤온 쌍을 배경 신호와 구분하는 데 도움을 준다. 배경 신호란 비슷한 궤적이나 입자 조합을 만들어내는 수많은 다른 과정을 뜻한다. 그런 다음 연구자들은 각 쌍의 불변질량을 살펴본다. 뮤온의 에너지와 운동량으로 계산하는 이 값은 뮤온 쌍의 부모 입자 질량을 식별하는 데 쓰인다.
질량 분포에는 Bs0 붕괴에서 비롯된 뚜렷한 신호와 더 낮은 B0 질량 영역의 작은 신호가 나타난다. LHCb는 배경 신호와 함께 이 신호들을 동시에 분석해 각 붕괴 유형이 얼마나 존재하는지 추정한다.
B0가 만들어지는 빈도는 유리한 점이다. LHCb에 따르면 충돌기에서는 Bs0 중간자 한 개당 B0 중간자가 약 네 개 만들어진다. B0 하나가 두 뮤온으로 붕괴할 가능성은 약 30배 낮지만, 더 많이 생성되기 때문에 예상되는 사건 수의 차이는 약 7배로 줄어든다. 이 비교는 충분히 큰 데이터 표본에서 어떻게 더 드문 과정까지 탐지할 수 있는지 보여준다.
이번 결과가 미지의 입자에 대해 알려주는 것
표준모형은 두 붕괴 확률을 모두 정밀하게 예측한다. 표준모형을 확장하는 이론은 붕괴 과정에 영향을 주는 입자를 도입해 예측을 바꿀 수 있다. 이런 입자는 검출기에서 눈에 보이는 형태로 직접 생성되지 않아도 영향을 미칠 수 있다.
LHCb는 추가 힉스 보손, Z′ 벡터 보손, 렙토쿼크를 그 예로 들었다. 이들은 이론을 확장하는 여러 방식에서 제안된 입자들이다. 이들이 미칠 수 있는 영향 때문에 희귀 붕괴는 특정 충돌 실험이 직접 도달할 수 있는 에너지 너머의 물리 현상을 간접적으로 탐색하는 방법이 된다.
실험을 운영하고 분석을 수행한 LHCb 공동연구진은 최신 측정 결과를 다음과 같이 설명했다.
오늘 발표된 결과는 표준모형(SM)과 일치하며, 이 새로운 모형들이 성립할 수 있는 매개변수 영역을 한층 더 정밀하게 좁혀준다
실질적으로는 실험 결과와 양립할 수 있는 가설 입자의 질량과 상호작용 세기 조합이 줄어든다는 뜻이다. 두 분기비를 함께 분석한 LHCb 결과에서 표준모형의 예측값은 68.27% 신뢰구간 안에 있다. 이 구간은 측정값의 불확실성 범위를 나타낸다.
수명 측정이 또 다른 검증이 되는 이유
LHCb는 뮤온 쌍으로 붕괴하는 Bs0 중간자의 유효 수명도 측정했다. 런 1, 런 2, 런 3 데이터를 결합한 측정값은 1.60 ± 0.16 ± 0.01피코초로, 표준모형의 예측과 일치한다.
1피코초는 1조분의 1초다. 첫 번째 오차는 측정의 통계적 한계를, 두 번째 오차는 측정 방식과 관련된 계통 효과를 나타낸다. 통계적 오차가 훨씬 크다는 점은 추가 데이터가 왜 중요한지를 보여준다.
유효 수명은 선택된 Bs0 표본에서 붕괴가 일어나는 시점을 설명한다. 표준모형을 확장하는 일부 이론은 뮤온 두 개가 만들어지는 전체 확률은 거의 바꾸지 않으면서 붕괴가 시간에 따라 분포하는 방식은 바꿀 수 있다. 따라서 붕괴 빈도와 시점을 함께 측정하면 붕괴 횟수만 셀 때보다 더 많은 가능성을 검증할 수 있다.
B0와 Bs0의 분기비를 비교하는 것도 또 다른 검증 방법이다. 가설 이론은 각 붕괴의 개별 빈도뿐 아니라 두 과정의 관계도 설명해야 한다. LHCb의 최신 결과는 이처럼 서로 다른 검증을 하나의 분석으로 통합한다.
극미세 세계를 향한 다음 단계
LHCb는 새 결과를 학술지에 제출했으며, 공동연구진과 이론물리학자들이 참여하는 워크숍의 시작을 알리는 CERN 세미나에서 발표했다. 당장의 실험 과제는 B0 신호를 관측 기준에 가깝게 끌어올릴 만큼 추가 증거를 모으고, 붕괴 확률을 더 정밀하게 측정하는 것이다.
공동연구진에 따르면 2030년대 중반 LHCb의 추가 업그레이드를 통해 데이터 수집률을 다시 한 자릿수 배수만큼, 즉 약 10배 높일 수 있다. 이를 통해 두 희귀 붕괴를 이용한 더욱 엄격한 검증이 가능해질 전망이다.
제프토버스(Zeptoverse)라는 용어는 연구자들이 이런 정밀 측정을 통해 조사하려는 극도로 작은 거리를 가리킨다. 제프토미터는 10억분의 1미터의 1000분의 1이다. 희귀 붕괴는 극히 짧은 거리와 높은 에너지에서 나타나는 효과를 간접적으로 조사하는 경로를 제공한다.
암흑물질과 우주에서 물질이 반물질보다 많은 이유는 표준모형 너머를 탐색하는 더 큰 동기다. 이번에 발표된 발견은 그보다 범위가 좁고 구체적이다. 기존 이론이 예측한 희귀 붕괴가 증거 기준에 도달했고, 측정된 거동을 통해 연구자들은 대안 이론의 가능성을 더 엄격히 제한할 수 있게 됐다.
핵심 요점
- LHCb가 1984년 시작된 탐색 끝에 B0 → μ+μ− 붕괴의 증거를 단일 실험에서 처음으로 보고했다.
- 2024년과 2025년 데이터에서 통계적 유의도는 3 표준편차에 이르렀으며, 이전 가동 기간 데이터를 결합하면 3.2가 된다.
- 표준모형은 B0 중간자 100억 번의 붕괴 중 약 한 번 이 현상이 일어날 것으로 예측한다.
- 새 붕괴 측정 결과는 표준모형과 일치하며 추가 입자가 존재할 수 있는 범위를 좁힌다.
- LHCb는 관련 Bs0 붕괴의 유효 수명을 1.60 ± 0.16 ± 0.01피코초로 측정했다.
- B0 붕괴를 관측하기 위한 기준인 5 표준편차에 도달하려면 추가 연구가 필요하다.
