희귀한 힉스 보손 붕괴 첫 증거 발견

2012년 CERN의 LHC(Large Hadron Collider)에서 힉스 입자를 발견한 것은 입자 물리학에서 중요한 이정표를 세웠다. 그 이후로 ATLAS와 CMS의 협력은 이 독특한 입자의 특성을 부지런히 조사하고 그것이 생성되고 다른 입자로 붕괴되는 다양한 방법을 확립하기 위해 검색했다.

이번 주 LHCP(Large Hadron Collider Physics) 컨퍼런스에서 ATLAS와 CMS는 힉스 보손(Higgs boson)이 전자기력의 운반체인 광자와 약력의 전기적으로 중성인 Z 보손으로 붕괴하는 드문 과정의 첫 번째 증거를 찾기 위해 어떻게 협력했는지 보고했다. 이 Higgs boson 붕괴는 입자 물리학의 표준 모델에 의해 예측된 것 이상으로 입자의 존재에 대한 간접적인 증거를 제공할 수 있다.

힉스 보손이 Z 보존과 광자로 붕괴하는 것은 두 광자로 붕괴하는 것과 유사하다. 이러한 과정에서 Higgs boson은 이러한 입자 쌍으로 직접 붕괴하지 않는다. 대신, 붕괴는 “가상” 입자의 중간 “루프”를 통해 진행되며 이 입자는 존재하고 사라지며 직접 감지할 수 없다. 이러한 가상 입자에는 Higgs 입자와 상호 작용하는 아직 발견되지 않은 새로운 입자가 포함될 수 있다.

표준 모델은 힉스 보손의 질량이 약 1250억 전자볼트인 경우 힉스 보손의 약 0.15%가 Z 보손과 광자로 붕괴할 것이라고 예측한다. 그러나 표준 모델을 확장하는 일부 이론은 다른 붕괴율을 예측한다. 따라서 붕괴율을 측정하면 표준 모델을 넘어서는 물리학과 Higgs 입자의 특성에 대한 귀중한 통찰력을 얻을 수 있다.

이전에는 LHC에서 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용하여 ATLAS 및 CMS가 독립적으로 Higgs boson이 Z boson 및 광자로 붕괴하는 광범위한 검색을 수행했다. 두 검색 모두 유사한 전략을 사용하여 전자 쌍 또는 뮤온(전자의 더 무거운 버전)으로의 붕괴를 통해 Z 보손을 식별했다. 이러한 Z 보손 붕괴는 약 6.6%의 경우에서 발생한다.

이러한 검색에서 이 Higgs boson 붕괴(신호)와 관련된 충돌 이벤트는 붕괴 생성물의 결합된 질량 분포에서 이벤트의 부드러운 배경 위에 좁은 피크로 식별된다. 붕괴에 대한 민감도를 높이기 위해 ATLAS와 CMS는 Higgs boson이 생성되는 가장 빈번한 모드를 활용하고 이러한 생성 프로세스의 특성에 따라 이벤트를 분류했다. 또한 고급 머신 러닝 기술을 사용하여 신호 이벤트와 백그라운드 이벤트를 더욱 구분했다.

새로운 연구에서 ATLAS와 CMS는 검색 결과를 극대화하기 위해 힘을 합쳤다. 2015년과 2018년 사이에 진행된 LHC의 두 번째 실행 동안 두 실험에서 수집한 데이터 세트를 결합하여 협업을 통해 통계적 정확도와 검색 범위가 크게 증가했다.

이 공동 노력으로 힉스 보존이 Z 보존과 광자로 붕괴한다는 첫 번째 증거가 나왔다. 결과는 3.4 표준 편차의 통계적 유의성을 가지며, 이는 관찰을 주장하기 위한 기존 요구 사항인 5 표준 편차보다 낮다. 측정된 신호 속도는 표준 모델 예측보다 1.9 표준 편차가 높다.

ATLAS 물리학 코디네이터 Pamela Ferrari는 “각 입자는 Higgs boson과 특별한 관계가 있으므로 드문 Higgs 붕괴를 찾는 것이 최우선”이라며 “ATLAS와 CMS의 개별 결과의 세심한 조합을 통해 Higgs boson의 또 다른 수수께끼를 푸는 데 한 걸음 더 나아갔다”고 말했다.

CMS 물리학 코디네이터인 Florencia Canelli는 “새로운 입자의 존재는 드문 힉스 붕괴 모드에 매우 중요한 영향을 미칠 수 있다. 이 연구는 표준 모델에 대한 강력한 테스트다. 진행 중인 세 번째 LHC와 미래의 고광도 LHC를 통해 우리는 이 테스트의 정밀도를 개선하고 더 드문 힉스 붕괴를 조사할 수 있을 것”이라고 밝혔다.