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[IT뉴스]100억 번에 한 번 일어나는 ‘입자 붕괴’ 흔적 포착했다

온카뱅크관리자

2026-11-09 00:37:27

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div>  <strong class="summary_view" data-translation="true">CERN 국제 공동연구팀 실험<br>‘Bd중간자’ 희귀 붕괴 증거 잡아… 입자물리학 표준모형 예측 적중<br>40년 추적 끝 실험적 기반 확대… 미지 암흑물질 규명에 도움될 듯</strong> 
        <div class="article_view" data-translation-body="true" data-tiara-layer="article_body" data-tiara-action-name="본문이미지확대_클릭"> 
         <section dmcf-sid="ZiXsX8iP74">
          <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="5527c707cafb2133c5f0fb2e88c1b9cf3044c21f14b23a5c6adb63ad2a2a91a0" dmcf-pid="5nZOZ6nQUf" dmcf-ptype="figure">
           <p class="link_figure"><img alt="스위스 제네바와 프랑스 국경지대에 위치한 유럽입자물리연구소(CERN)의 대형강입자충돌기바닥쿼크(LHCb) 실험 현장. CERN 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202611/09/donga/20261109003257084adkv.jpg" data-org-width="1000" dmcf-mid="XfVFVcCEz8" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202611/09/donga/20261109003257084adkv.jpg" width="658"></p>
           <figcaption class="txt_caption default_figure">
            스위스 제네바와 프랑스 국경지대에 위치한 유럽입자물리연구소(CERN)의 대형강입자충돌기바닥쿼크(LHCb) 실험 현장. CERN 제공
           </figcaption>
          </figure>
          <div contents-hash="7410b7597bd5766712200e1866c733043a7194f26e70a919dda467fb4199e2df" dmcf-pid="1L5I5PLxFV" dmcf-ptype="general">
           물리학자들이 100억 번 중에 1번 일어날 것으로 예상되는 희귀한 입자 붕괴 현상의 증거를 포착했다. 새로운 물리 법칙의 증거를 발견한 것은 아니지만 기존 입자물리학 이론인 표준모형의 예측 결과와 일치하는 것으로 나타나면서 이번 실험 결과가 앞으로 새로운 물리학 실험과 이론 탐색에서 중요한 기준으로 활용될 것이라는 기대가 나온다.
          </div>
          <p contents-hash="6833951bf19f56e95deda8ad032933151984f13266ed89887c17c9643a6661b3" dmcf-pid="to1C1QoM72" dmcf-ptype="general">유럽입자물리연구소(CERN)는 대형강입자충돌기바닥쿼크(LHCb) 국제 공동연구팀이 매우 희귀한 입자 붕괴의 증거를 단일 실험에서 처음으로 포착했다고 3일 발표했다. 연구논문은 10월 30일(현지 시간) 논문 사전공개 사이트 ‘아카이브(arXiv)’에 공개됐고 현재 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 X’에 투고된 상태다.</p>
          <p contents-hash="d394c96b144fc7d6526b5153e91cee67ed28f9bf472f07387f4200dd7aefa7a6" dmcf-pid="FApTpdAi09" dmcf-ptype="general">표준모형은 전자나 쿼크, 중성미자 등 물질을 구성하는 기본입자와 이들 사이에 작용하는 힘을 설명하는 이론이다. 2012년 ‘힉스 입자’의 존재가 실험으로 드러나면서 표준모형이 예측한 기본입자들이 모두 확인됐지만 암흑물질·암흑에너지의 정체나 물질과 반물질의 비대칭 현상 등 표준모형만으로는 설명하기 어려운 물리학 난제들이 여전히 존재한다.</p>
          <p contents-hash="1df13ebac6ee10f47df90bed35c435d63b33186d83cc6b89eb31fb2ddffe8b86" dmcf-pid="3cUyUJcn0K" dmcf-ptype="general">LHCb 연구팀은 대형강입자충돌기(LHC)를 활용해 입자의 미세한 변화를 정밀하게 관찰하고 표준모형으로 설명할 수 없는 새로운 물리 법칙을 찾는 것이 주요 목표다. ‘B중간자(B meson)’라는 입자가 시간이 흘러 다른 입자로 변하는 붕괴 현상을 집중적으로 연구한다.</p>
          <p contents-hash="f61546095d07300557d8788acc543699f9d93be6899661836c8bc54a80b8bd16" dmcf-pid="0kuWuikL3b" dmcf-ptype="general">표준모형이 예측한 B중간자의 붕괴 확률이나 수명이 실제 측정값과 다르다면 아직 발견하지 못한 새로운 입자나 상호 작용이 영향을 미쳤다는 단서가 될 수 있다.</p>
          <p contents-hash="ab754540125c89369c0565f381608722949f182d60764b5d28808a6156314cab" dmcf-pid="pE7Y7nEo7B" dmcf-ptype="general">쿼크는 총 6종이 존재하는 기본입자다. 중간자는 쿼크와 쿼크의 반물질인 반쿼크가 하나씩 결합한 입자를 말한다. 반물질은 물질과 질량은 같지만 전하 등 일부 물리적 성질이 반대다.</p>
          <p contents-hash="2da962ab2d173a18f63c1a2f9f281b9587f7d55cc5b64311fbd161543853cf6a" dmcf-pid="UDzGzLDgUq" dmcf-ptype="general">B중간자의 일종인 ‘Bd중간자’는 ‘바닥 쿼크’와 ‘반아래 쿼크’가 결합한 형태로 붕괴할 때 매우 드문 확률로 ‘뮤온’과 ‘반뮤온’으로 붕괴한다. 뮤온은 전자와 전기적 성질이 비슷하지만 질량이 약 207배 큰 기본입자고 반뮤온은 뮤온의 반물질이다.</p>
          <p contents-hash="bfabc2691827d586bf9679dd63fcd8e709e6f78ce9fb90350cc579fb6592c3ec" dmcf-pid="uwqHqowapz" dmcf-ptype="general">바닥 쿼크를 포함하는 입자가 뮤온과 반뮤온 둘만으로 붕괴하는 현상은 발생 확률이 극히 낮은 것으로 분석돼 기존 입자물리학 표준모형의 예측을 검증하는 핵심 수단으로 평가된다.</p>
          <p contents-hash="62bc4ade62ad05825d0b14fd78460e3ca2218cf0ef9a4efadc244b9d9ad122ed" dmcf-pid="7rBXBgrNp7" dmcf-ptype="general">현재 가속기에서 직접 생성하기 어려운 미지의 무거운 입자가 양자역학적 효과를 통해 붕괴 과정에 영향을 미칠 수 있기 때문에 실제 붕괴 확률이 이론적 예측에서 벗어나는지 확인하면 새로운 물리학 현상의 단서를 찾을 수 있을 것으로 기대된다.</p>
          <p contents-hash="e08f3d3d70329751c88aac47c67ba090da4a39027f0f4831969765cfff40db6a" dmcf-pid="zmbZbamj3u" dmcf-ptype="general">2015년 CERN의 LHCb와 소형뮤온솔레노이드(CMS) 공동연구단은 상대적으로 발생 확률이 높은 ‘Bs중간자’의 뮤온·반뮤온 붕괴를 처음으로 관측하고 Bd중간자의 붕괴에 대한 초기 증거도 제시했다. Bs중간자는 바닥 쿼크와 ‘반이상한 쿼크’로 이뤄졌다. 이론이 예측한 Bs중간자의 뮤온·반뮤온 붕괴 확률은 10억분의 3.66이고 Bd중간자는 이보다 약 30배 더 드문 100억분의 1.03이다.</p>
          <p contents-hash="f92ca467085c14859dbb1ca25be34e41488e6e819d5d02afc65535becbf10b5d" dmcf-pid="qsK5KNsAzU" dmcf-ptype="general">Bd중간자의 붕괴 증거는 이후 2018년까지 수집한 자료를 이용한 후속 분석에서 재확인되지 않았다. 연구팀은 2022년 업그레이드를 통해 초당 데이터 수집 능력이 약 5배 향상된 LHCb 검출기로 2024∼2025년 수집한 양성자 충돌 자료를 분석하고 기계학습을 통해 방대한 입자 충돌 신호에서 희귀 붕괴 후보를 분리했다.</p>
          <p contents-hash="4b021f77b20cfd16639feaa50cc315a13d50ab18d4f0514de83b85c410bddc19" dmcf-pid="BrBXBgrNpp" dmcf-ptype="general">분석 결과 최신 관측 자료만으로 Bd중간자의 뮤온·반뮤온 붕괴 현상에 대해 통계적 유의성 기준 ‘3시그마(σ)’의 증거가 확보됐다. 2011∼2018년 자료를 통합하자 통계적 유의성이 3.2시그마로 높아졌다. 연구팀이 측정한 Bd중간자의 뮤온·반뮤온 붕괴 확률은 약 100억분의 1.14, Bs중간자는 약 10억분의 3.25로 측정돼 표준모형의 예측과 일치하는 것으로 나타났다. 3시그마는 새로운 현상의 증거로 제시될 수 있는 수준이다. 새로운 발견으로 인정받는 기준은 5시그마다.</p>
          <p contents-hash="d2aa309ef648d1488f0106aa79b731523b9e9b3d002de0fbabf580bed5754c79" dmcf-pid="bmbZbamj30" dmcf-ptype="general">연구를 이끈 마르코 산티마리아 이탈리아 국립핵물리연구소 연구원은 “물리학자들은 40년 넘게 이 붕괴 현상을 추적해 왔다”며 “배경 신호에서 뮤온을 구별하려면 극도로 높은 정밀도가 필요하다”고 밝혔다. 연구팀은 이번 성과가 표준모형을 넘어서는 새로운 입자의 존재를 검증할 실험적 기반을 확대했다는 점에서 의미가 있다고 봤다.</p>
          <p contents-hash="016f22f2774377a47e59d2acb7d30c5c84973d621f041085bed991add5da1760" dmcf-pid="KsK5KNsAp3" dmcf-ptype="general">CERN은 2030년 고휘도 대형강입자충돌기(HL-LHC) 가동과 2030년대 중반 계획된 LHCb 검출기 추가 개량을 통해 데이터 수집 속도를 약 10배 더 높이고 희귀한 입자 붕괴 과정을 더욱 정밀하게 검증할 전망이다.</p>
          <p contents-hash="bc9a9bcd4dcc6d3d3c5a2de3cbb83c14493b4528f45b21e8d8b53e181e3244a2" dmcf-pid="9O919jOcuF" dmcf-ptype="general">이병구 동아사이언스 기자 2bottle9@donga.com </p>
         </section> 
        </div> 
        <p class="" data-translation="true">Copyright © 동아일보. All rights reserved. 무단 전재, 재배포 및 AI학습 이용 금지</p>

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