표준모형을 만들고 부수는 맛깔 변환 중성류

나는 중딩 시절에 김재관 교수님이 번역하신 입자물리학 교양서(?)를 읽고 입자물리학의 매력에 빠졌으나, 대학교 4학년에 되어 정작 그 수업을 들어보니 도무지 내용조차 이해를 할 수 없어 포기한 바가 있다. 그래도 막연한 관심은 남아 있던 차에 <네이처>에 이런 리뷰가 실렸기에 초록과 서론을 번역해 본다.

표준모형을 만들고 부수는 맛깔 변환 중성류

http://dx.doi.org/10.1038/nature21721

초록

입자물리학의 표준모형은 기본 입자들과 그들의 상호작용에 대한 현존하는 최고의 이론이나, 불완전한 부분이 있는 것으로 알려져 있다. 아직 발견되지 않은 입자들과 상호작용들이 존재할 수 있기 때문이다. 새로운 입자들을 찾기 위한 가장 강력한 방법 중 하나는 소위 맛깔 변환 중성류(flavour-changing neutral current) 붕괴라 불리는 과정을 연구하는 것으로, 이 과정 중에 쿼크의 전하는 바뀌지 않고 맛깔만 바뀐다. 이러한 변화의 한 가지 예로 맵시 쿼크(beauty quark)가 기묘 쿼크(strange quark)로 붕괴하는 현상이 있다. 여기서 우리는 이러한 붕괴 과정에 있는 몇 가지 흥미로운 이상현상을 되짚어 본다. 이들은 표준모형 안에 존재하는 균열을 드러냈고, 이는 그 너머에 우리가 알지 못하는 현상이 존재한다는 것을 암시한다.

서론

입자물리학의 표준모형은 기본 입자들의 성질과 상호작용을 설명하는데 놀랍도록 성공적이었던 이론으로, 그 예측값들은 엄청난 정확도로 실험적으로 확인된 바 있다. 하지만, 우주 내 암흑물질의 겉보기 비율과 물질 쪽으로 심하게 치우쳐 있는 물질-반물질 비율에 대한 우주론적 관측 사실들로부터, 표준모형 이론이 완전하지는 않다고 생각할 수 있다. 또한, 표준모형은 알려진 기본 입자들의 질량 사이의 패턴을 설명할 수 없다. 따라서, 실험 입자물리학의 최근 목표 중 하나는 새로운 입자들과 상호작용들을 발견하여(보통 '새로운 물리학 new physics'이라고 불린다) 이러한 관찰 사실들을 설명하는 것이다.

이 새로운 입자들을 찾는 일은 두 가지 방법으로 이루어진다. 첫 번째 방법은 높은 에너지의 양성자살(proton beam) 혹은 전자살(electron beam)을 충돌시켜 직접적으로 새로운 입자들을 만들어내는 것이다. 이 새로운 입자는 결국 알려진 표준모형 입자들로 붕괴하고, 이 입자들의 성질이 입자물리학 검출기로 측정된다. CERN에 있는 대형 하드론 충돌기(Large Hadron Collider; LHC)의 ATLAS와 CMS 공동연구가 이렇게 전례 없는 에너지와 세기로 양성자살을 충돌시켜 새로운 입자들을 만들어내는 실험의 예이다.

두 번째 방법은 표준모형으로 정확하게 기술될 수 있는 (쿼크로 구성된) 하드론들의 알려진 붕괴 과정의 성질을 정확하게 측정하는 것으로 이루어진다. 이 경우, 케이온(기묘 쿼크를 포함하는 하드론)이나 b 하드론(맵시 쿼크를 포함)의 붕괴처럼 약한 상호작용(weak interaction)을 통해 이루어지는 과정들이 특별히 흥미롭다. 양자장 이론의 귀결로서, 이러한 붕괴 과정은 붕괴하는 입자로부터 얻어낼 수 있는 질량-에너지보다 큰 물리 질량을 갖고 있는 순간적 입자(transient particle)들을 통해 이루어질 수 있다. 이 순간적 입자들은 '가상' 입자(virtual particle)로 불린다. 만약 이 새 입자들이 충분히 무겁다면 붕괴율과 붕괴 산물의 움직임에 대한 표준모형의 예측과 실험값 사이에 큰 오차를 만들어낼 수 있다. 따라서 이러한 양들의 정확한 측정값은 LHC의 현재 가능한 충돌 에너지보다 훨씬 큰 질량을 가지고 있는 표준모형 너머의 입자들에 달려 있다. LHC에서 진행 중인 LHCb 실험은 알려진 붕괴 과정들의 성질을 정확히 측정함으로써 새로운 물리학을 탐색하는 실험의 한 예이다.