CERN 아틀라스의 힉스-톱쿼크의 붕괴 검출 개념도. 출처 : ATLAS 협업 / CERN

유럽입자물리연구소(CERN)가 신의 입자로 불리는 힉스 보존(Higgs boson)의 친구입자를 발견했다고 4일(현지시각) 공식 발표했다. 그 친구는 바로 가장 무거운 쿼크(quark)인 톱쿼크(top quark)다. 실험결과는 이 날짜 물리학 저널 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 게재됐다.

이 같은 결과는 CERN의 강입자가속기(LHC) 둘레를 따라 설치된 검출장치인 뮤온압축솔레노이드(CMS)와 아틀라스(ATLAS) 두 곳에서 동시에 관측했다. 이곳은 지난 2012년 힉스 보존을 처음 발견한 곳이다.

검출기 CMS와 ATLAS는 이번 강입자 충돌실험에서 힉스 입자가 극도로 강하게(extremely strongly) 톱쿼크와 결합되어 있다가 붕괴되는 현상을 관측했다. 이는 힉스 보존과 톱쿼크가 매우 친하다는 것을 암시하는데, 물리학자들의 예측과 일치하는 결과였다.

칼 자콥스 아틀라스 대변인은 “이번 실험은 힉스 보존이 톱쿼크가 큰 질량을 갖는 데 핵심적인 역할을 한다는 강력한 증거”라고 말했다. 그는 “이것은 표준모델이 분명히 말해주지만, 실험적으로 확실하게 확인된 것은 이번이 처음”이라고 밝혔다.

CERN의 발표에 따르면 입자물리학의 가장 중요한 신비 중 하나는 전자 양성자 중성자처럼 물질을 구성하는 입자인 페르미온 간의 질량 차이다. 예를 들어, 전자는 톱쿼크 질량의 3백만 분의 1보다 조금 작다. 남에게 질량을 부여하는 힉스 보존이 그 수수께끼의 열쇠일 것이라고 물리학자들은 믿는다. 이번 힉스-톱쿼크 붕괴를 통해 힉스의 친구입자가 무거운 톱쿼크임을 확인함으로써 물리학자들은 입자들이 각기 다른 질량을 갖는 비밀을 푸는 데 결정적인 걸음을 내디딘 것으로 보인다.

논문에 따르면, ‘ttH signal’로 불리는 힉스-톱쿼크 붕괴는 통계적 의미에서 신뢰도가 시그마 5.2로 분석됐다. 데이터에 우연이 개입했을 확률이 350만 분의 1이라는 의미다. 연구팀은 추가 논문을 출판 전 공유 사이트(arXiv)에 올렸는데, 그것은 데이터 신뢰도가 시그마 6.3(우연 개입 확률 5억 분의 1)이다.

2012년 발견 이후 힉스 보존이 쿼크와 함께 나타나자 물리학계는 흥분에 휩싸였다. 그것도 쿼크 중 가장 질량이 큰 톱쿼크와 그 반입자인 반톱쿼크와 나타난 것이다. 쿼크는 양성자 중성자와 같은 강입자(hadron)를 구성하는 기본입자인데, 모두 6개다. 그 중 톱쿼크는 가장 무거운 쿼크인데, 가장 나중에 발견됐다.

잘 알려진 대로 힉스 입자는 다른 입자에게 질량을 부여하는 입자다. 톱쿼크가 질량이 큰 이유를 짐작할 수 있는 대목이다. 이 새로운 발견은 기본입자가 질량을 갖는 이유를 보다 잘 이해하는 결정적인 도움을 줄 것으로 기대하는 것은 바로 때문이다.

힉스 보존의 발견은 소립자의 행동을 설명하는 표준모델에서 마지막으로 결손 부분을 채우는 것이었다. 또한 우주가 어떻게 작동하는지에 대한 물리학자의 기본 가정을 확인한 것이기도 했다.

그러나 단순히 힉스 입자의 발견만으로는 힉스가 어떻게 행동하는지에 대한 의문을 풀 수 없었다. 이번 발견은 이 같은 의문을 풀어준다는 데 중요한 의미를 갖는다.

연구팀은 이번에 피지컬 리뷰 레터스에 게재한 결과 외에 관측 사실을 종합해 추가 발표할 예정이다.

# 기사 출처 : Physical Review Letters, Observation of ttH Production Live Science, The Higgs Boson Has a New Friend