CERN LHCb, 100억분의 1 뷰티 쿼크 희귀 붕괴 첫 증거 42년 만에 확보

뷰티 쿼크와 극희귀 붕괴

뷰티 쿼크(b 쿼크)는 일상 물질을 구성하는 위·아래 쿼크보다 훨씬 무거운 입자로, LHC 충돌에서 대량 생성되지만 1조분의 1.5초 남짓한 극히 짧은 수명을 지닌다. 이 짧은 시간 동안 수십 가지 경로로 붕괴하는데, 그 가운데 'Bd → μμ'는 뷰티 다운 메존이 뮤온 두 개로 붕괴하는 과정이다. 표준 모형은 이 붕괴의 발생 빈도를 100억분의 1 수준으로 예측한다. 붕괴가 희귀할수록 아직 확인되지 않은 새 입자가 붕괴 중간 단계에 개입했을 때 통계적 편차가 더 뚜렷하게 드러나기 때문에, 이 채널은 새 물리학을 간접 탐색하는 핵심 경로로 오랫동안 주목받아왔다.

3.2 시그마 증거: 발견 직전 단계

이번 분석은 업그레이드된 LHCb가 축적한 데이터를 바탕으로 한다. 통계적 유의수준 3.2 시그마는 입자물리학 관례상 '증거(evidence)' 수준에 해당하며, '발견(discovery)'으로 인정받으려면 5 시그마 이상이 요구된다. 다만 단일 실험이 이 붕괴에 대한 유의미한 증거를 제시한 것은 이번이 처음이다. 업그레이드를 통해 데이터 수집 속도가 이전 대비 최대 5배 향상된 것이 이번 측정을 이끌어낸 핵심 요인으로 꼽힌다.

버텍스 로케이터: 붕괴 지점 추적의 핵심 장치

맨체스터 대학교 연구진이 주도해 개발한 실리콘 픽셀 검출기 버텍스 로케이터(Vertex Locator)는 LHC 빔 중심에서 5mm 거리에 장착돼 입자 생성 지점과 붕괴 지점을 극고정밀로 추적한다. 영국 기업 약 90곳과 협력해 제작된 이 검출기는 뷰티 메존이 뮤온 쌍으로 붕괴한 위치를 정확히 특정하는 역할을 담당한다. 맨체스터 대학교는 1,900명 규모 국제 협력단이 참여한 15년짜리 업그레이드 프로젝트를 이끌었으며, 영국은 해당 프로젝트에서 가장 큰 국가 기여를 한 것으로 평가된다.

제프토버스 탐색의 문을 열다

연구진이 목표로 삼는 제프토버스(Zeptoverse)는 1 제프토미터(10⁻²¹ m), 즉 10억분의 1조분의 1 m 수준의 극소 거리 영역에서 숨어 있을 수 있는 미지의 입자와 힘을 가리키는 개념이다. 현재 결과는 표준 모형의 예측과 일치하지만, 데이터가 충분히 누적되면 미세한 편차가 드러날 수 있다. 연구팀은 2030년대 초까지 운영을 이어가며 데이터를 추가 확보할 예정이다. 나아가 차세대 고광도 LHC(High Luminosity LHC)용 추가 업그레이드를 통해 수집 속도를 현재의 10배까지 높이는 방안도 계획 중으로, 이를 통해 더 짧은 거리 영역의 미발견 입자에 대한 탐색 민감도를 한층 높일 수 있을 것으로 예상된다.

한계와 전망

3.2 시그마는 발견 기준인 5 시그마에 아직 미치지 못한다. 따라서 현 단계에서 표준 모형의 정밀 검증이나 새 물리학의 존재 확정은 이르다. 5 시그마 도달을 위해서는 상당한 규모의 추가 데이터가 필요하며, 2030년대 초까지 이어질 운영 일정이 그 토대가 될 것이다. 이번 성과는 40년 이상 이어진 탐색의 중요한 이정표이지만, 제프토버스 영역의 물리학을 해명하기 위한 여정은 이제 초입 단계에 있다.