IBS 순수물리이론 연구단(단장 최기운) 연구진이 지난 해 말 LHC(거대 강입자 가속기, Large Hadron Collider)에서 관측된 새로운 입자 신호에 독창적인 해석을 제시해 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 4월 연구성과를 게재했다. 피지컬 리뷰 레터스는 LHC의 이상신호 현상을 연구한 수많은 논문들 중 IBS 연구진의 논문을 4편의 주요 논문 중 하나로 선정했다.

지상최대의 실험이라 불리는 LHC는 2012년 ‘신의 입자’라 불리는 ‘힉스 입자(Higgs boson, 소립자에게 질량을 부여하는 입자)’를 발견한 곳이다. 세계 1만여 명의 연구자들이 협력하여 운영 중인, 인류 역사상 가장 거대한 실험장치다. 유럽입자물리학연구소(CERN)에서 운영하는 LHC는 스위스와 프랑스 국경지대의 지하 100m에 위치해있다. 27km 길이의 원형 가속기에서 우주보다 더 낮은 극저온 상태에 양성자를 넣고 가속시킨 다음 충돌시켜 일어나는 현상을 관찰한다.

▲ LHC(거대 강입자 가속기, Large Hadron Collider)는 2012년 힉스 입자 발견 이후, 지난해 말 재가동 중 이상 관측현상을 학계에 보고했다. 전 세계 물리학계가 LHC의 실험결과에 주목하며 불과 5개월 만에 현상을 설명하는 논문 약 320편이 게재됐다. ⓒCERN

전 세계 물리학자들은 LHC의 실험에 늘 촉각을 세우고 있다. 실험 결과가 곧 새로운 입자의 발견으로 이어질 수 있기 때문이다. 이런 물리학자들의 기대에 보답이라도 하듯 LHC에서 작년 말 정상 예측 범위를 벗어난 광자쌍1) 신호들이 관측됐다. LHC 대표 관측기인 ATLAS2) 와 CMS3) 의 두 실험 그룹에서 관측된 이상신호는 7.5테라전자볼트(TeV, 입자물리학에서 에너지·질량의 단위) 근방에서의 광자쌍 신호가 정상예측 범위를 벗어난다는 결과를 내놨다.

기존 표준모형(The Standard Model of particle physics)으로는 이상 신호를 예측하거나 설명하지 못하는 상황이다. 이를 이해하기 위해 전 세계 이론물리학자들이 나섰다. 최근 4달 동안 약 320여 편 가량의 논문이 전 세계에서 발표됐다. LHC의 새로운 현상이 새로운 입자의 가능성을 제시한 것은 아닐까? 물리학계가 기대감에 들썩이고 있다.

연구진은 4월 12일 LHC에서 관측된 광자쌍 신호들이 갖고 있는 의미를 독창적으로 해석했다. 많은 연구자들이 광자쌍들의 붕괴가 새롭고 무거운 입자의 붕괴에서 비롯되었다는 기본적이면서 단순한 모델에 주안점을 둔 반면, IBS 공동 연구진들은 새로운 가능성을 제시했다. 공동연구진은 조원상 연구위원(제1저자), 박명훈 교수(공동저자), 임성학 박사과정 학생(공동저자)을 비롯해 미국의 연구진으로 구성되었다.

이번 LHC의 실험결과에서 중요한 기준점은 7.5TeV이다. 연구진은 7.5TeV보다 더 무거운 입자들이 복잡하고 긴 여러 형태의 붕괴 과정을 거치며 이번 이상 광자쌍이 생성되었을 가능성을 제시했다. 각기 다른 세 가지 형태의 붕괴 과정에 주목했는데, 모두 현재 측정된 데이터와 잘 일치한다는 것을 논문에서 밝혀냈다. 연구진은 이번 붕괴모델에서 실제 광자쌍이 나왔을 경우, 광자쌍 신호가 가져야할 특성을 해석적으로 설명했으며, 보다 정밀한 데이터 분석으로 각각 붕괴 모델을 구분할 수 있는 관측량들을 제시했다. 또한 붕괴 사슬을 구성하는 새로운 입자들이 가질 수 있는 질량 범위를 측정하고 제한했다.

▲ 이상 광자쌍 신호들을 해석하기 위해 제시한 여러 가지 새로운 입자(A, B, χ)들로부터의 색다른 붕괴 모델들.
여기서 그리스 문자 γ는 광자를 의미한다.

본 연구는 세계 연구자들이 고려하는 해석들에 훨씬 폭넓은 다양성을 부여했으며 그 기여를 인정받아 피지컬 리뷰 레터스 저널의 광자쌍 이상신호 특별 섹션에 4편의 주요 논문 중 하나로 게재되었다.

CERN의 LHC2 실험은 2016년 가을까지 더욱 많은 데이터들을 모아서 이번 이상 광자쌍 신호들이 진정 새로운 입자의 존재에 관계된 신호인지 판별할 예정이다. 지속적인 실험에도 이상 신호가 여전히 살아남아 새로운 현상의 ‘발견’으로 확정된다면, IBS 연구진이 제시한 붕괴 모델을 포함해 여러 가지 이론들이 혹독한 검증 과정을 거치게 될 것으로 예상된다.

▲ LHC에서 발표된 광자쌍 신호데이터들을 IBS 연구진이 제시한 3가지의 붕괴모델을 가정하여 해석을 시도한 결과를 보여주는 그래프

대외협력실 고은경