제네바에 있는 CERN의 대형 강입자 충돌기(LHC)에서 최근 연구 결과는 우리가 발견되지 않은 물리학의 징후에 가까워지고 있음을 시사합니다. 확인된다면, 이 힌트들은 50년 동안 입자 물리학을 지배해 온 이론인 표준 모형을 뒤집을 것입니다. 이 발견은 LHC에서 특정 아원자 입자들이 행동하는 방식이 표준 모형과 일치하지 않음을 시사합니다.
기본 입자는 물질의 가장 기본적인 구성 요소로, 더 작은 단위로 나눌 수 없는 아원자 입자입니다. 네 가지 기본 힘(중력, 전자기력, 약력, 강력)은 이 입자들이 상호작용하는 방식을 지배합니다. LHC는 프랑스-스위스 국경 아래 27km 길이의 원형 터널에 건설된 거대한 입자 가속기입니다. 주요 목적은 표준 모형의 균열을 찾는 것입니다. 표준 모형은 기본 입자와 힘에 대한 최선의 이해이지만 중력이나 암흑 물질(우주의 약 25%를 구성하는 보이지 않고 측정되지 않은 물질)을 설명하지는 못합니다.
LHC에서는 반대 방향으로 이동하는 양성자 입자 빔을 충돌시켜 발견되지 않은 물리학의 힌트를 찾으려고 합니다. 새로운 결과는 LHCb라는 LHC의 실험에서 나왔으며, 이 충돌을 분석합니다. 이 결과는 B 중간자라는 아원자 입자의 붕괴(일종의 변환)를 연구한 것입니다. 우리는 이 B 중간자가 다른 입자로 붕괴하는 방식을 조사했으며, 이 과정이 표준 모형의 예측과 일치하지 않음을 발견했습니다.
표준 모형은 20세기의 가장 혁신적인 물리학 발전인 양자 역학과 아인슈타인의 특수 상대성 이론에 기반을 둡니다. 물리학자들은 LHC와 같은 시설에서 측정한 결과를 표준 모형에 기반한 예측과 비교하여 이론을 엄격하게 테스트할 수 있습니다. 표준 모형이 불완전하다는 것을 알고 있음에도 불구하고, 50년 이상 점점 더 엄격해지는 테스트에도 불구하고 입자 물리학자들은 아직 이론의 균열을 찾지 못했습니다. 즉, 지금까지는 그랬습니다.
Physical Review Letters에 게재가 승인된 우리의 측정은 표준 모형의 기대치로부터 4 표준 편차의 긴장을 보여줍니다. 현실적인 용어로, 이는 실험 결과와 이론 예측의 불확실성을 고려한 후, 표준 모형이 맞다면 이렇게 극단적인 무작위 변동이 데이터에서 발생할 확률이 16,000분의 1에 불과하다는 것을 의미합니다. 이것이 과학의 황금 기준(5 시그마, 즉 5 표준 편차, 약 170만 분의 1 확률)에는 미치지 못하지만, 증거가 쌓이기 시작하고 있습니다.
이 설득력 있는 이야기에 추가되는 것은 2025년 초에 발표된 독립적인 LHC 실험인 CMS의 결과입니다. CMS 결과는 LHCb만큼 정밀하지는 않지만 잘 일치하여 주장을 강화합니다. 우리의 새로운 결과는 전기약 펭귄 붕괴로 알려진 특정 종류의 과정 연구에서 발견되었습니다. '펭귄'이라는 용어는 수명이 짧은 입자의 특정 유형의 붕괴(변환)를 나타냅니다. 이 경우, 우리는 B 중간자가 네 개의 다른 아원자 입자(케이온, 파이온, 두 개의 뮤온)로 붕괴하는 방식을 연구합니다. 약간의 상상력을 발휘하면 관련된 입자의 배열이 펭귄처럼 보인다고 시각화할 수 있습니다. 결정적으로, 이 붕괴의 측정을 통해 우리는 한 유형의 기본 입자인 아름다움 쿼크가 다른 유형인 기묘 쿼크로 변환되는 방식을 연구할 수 있습니다.
이 펭귄 붕괴는 표준 모형에서 엄청나게 드물며, 백만 개의 B 중간자 중 오직 하나만 이런 방식으로 붕괴합니다. 우리는 붕괴에서 생성된 입자의 각도와 에너지를 주의 깊게 분석하고, 이 과정이 발생하는 빈도를 정밀하게 결정했습니다. 우리는 이러한 양에 대한 측정이 표준 모형 예측과 일치하지 않음을 발견했습니다.
이와 같은 붕괴에 대한 정밀 조사는 LHCb 실험의 주요 목표 중 하나이며, 처음부터 그래왔습니다.