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- 이론: 반입자는 거울상 구조, 반대 전하를 띠지만 물질과 같은 방식으로 작동해야 한다.
- 반물질 쿼크의 붕괴에서 상당한 비대칭성을 입증했다.
- 중입자와 반입자의 붕괴 주파수 사이에 2.45%의 차이가 있음을 보여
- 이 발견은 표준 모형과 그 간극에 대한 새로운 정보를 제공

반물질: 대칭성 붕괴 감지
물리학자들은 처음으로 물질의 구성 요소와 그 반입자의 행동 차이를 입증했다.

이정표:
물리학자들은 모든 물질의 구성 요소 중 하나인 바리온(Baryon)에서 반물질과 물질 간의 차이를 처음으로 입증했다. CERN 연구 센터의 LHC 입자가속기에서 발생한 붕괴에서 상당한 대칭성 붕괴가 관찰되었다. 양성자의 "더 무거운 형제"인 뷰티-람다-바리온(Beauty-Lambda-Baryon)은 반물질-대응물과 다르게 행동했다. 이 중요한 획기적인 발견은 우주의 반물질 퍼즐을 푸는 데 도움이 될 수 있다.

▲ 물리학자들은 LHC 입자가속기에서 물질의 구성 요소(Λb)와 반물질 대응 물질의 행동에 명확한 비대칭성이 있다는 것을 처음으로 입증했다. © LHCb Collaboration / arXiv-Preprint, CC-by 4.0

빅뱅이 물질과 반물질을 같은 양으로 창조했는데도 불구하고, 오늘날의 우주에서는 왜 물질이 지배적일까요? 물리학자들은 입자와 그 대응 입자 사이의 미세한 차이가 이러한 현상의 원인이라고 추측한다. 하지만 어떤 것일까? 지금까지 조사된 모든 기본적 특성, 예를 들어 질량 대 전하 비율, 중력과 강한 핵력에 대한 반응, 스펙트럼 등은 일관된 것으로 보인다.

CP(Conjugation Parity) 위배에 차이가 숨겨져 있을까?

비대칭성의 첫 번째 징후는 CP 불변성에서 찾을 수 있다. 이 이론에 따르면, 반입자는 거울상 구조를 가지고 있으며 반대 전하를 띠지만 그 외에는 일반 물질과 같은 방식으로 작동해야 한다. 하지만 이는 제한적인 범위에서만 사실인 듯하다. 입자 가속기에서의 붕괴가 보여주듯이. 물리학자들은 무거운 참(Charm) -쿼크, 스트레인지(Strange)-쿼크, 뷰티(Beuty)-쿼크와 이에 대응하는 반물질 쿼크의 붕괴에서 상당한 비대칭성을 입증했다.

이러한 CP 불변성의 위반은 지금까지 쿼크와 반쿼크로 구성된 입자인 중간자에 대해서만 명확하게 입증되었다. 그러나 세 개의 쿼크로 구성된 물질의 구성 요소인 중입자에 대한 이러한 증거는 없었다. CERN 연구 센터의 물리학자들은 2017년에 중입자에서 그러한 대칭성 붕괴의 첫 징후를 감지했지만, 그 중요성은 (아직) 실제 증거로 충분치 않았다.

▲ CERN의 대형 강입자 충돌기(LHC)에 있는 LHCb 실험은 무거운 뷰티 쿼크와 매력 쿼크가 포함된 입자의 붕괴 생성물을 감지하도록 특별히 설계되었다. © CERN

테스트 대상으로 사용되는 양성자의 무거운 형제

이제 상황이 바뀌었다. LHCb-협력의 물리학자들은 물질의 구성 요소에서 물질과 반물질 사이에도 비대칭이 존재한다는 것을 처음으로 입증했다. "우리는 충분한 뷰티 쿼크와 그 반입자를 생산할 수 있는 LHC와 같은 기계가 필요했다. 그리고 그들의 붕괴 생성물을 포착할 검출기가 필요했다." CERN의 LHCb 협업 대변인인 빈센조 바뇨니(Vincenzo Vagnoni)의 설명이다.

물리학자들은 탐색을 위해 2009년부터 2018년까지 LHC 입자 가속기의 첫 번째와 두 번째 가동 중에 얻은 LHCb 검출기의 데이터를 평가했다. 이 데이터에서 그들은 뷰티-람다-바리온 Λb와 그 반입자의 붕괴를 탐색했다. 이것은 양성자와 중성자의 무거운 형제와 같다. 이와 마찬가지로 Λb는 세 개의 쿼크로 구성되지만, 세 번째 입자가 다르다. Λb의 경우 이는 무거운 뷰티 쿼크로, 때로는 바닥(Bottom)-쿼크라고도 한다.

일반적으로 뷰티-람다-바리온은 가속기에서 짧은 시간이 지난 후 양성자(Proton), 카온(Kaon), 파이온(Pion)-안티파이온(Antipion)-쌍으로 붕괴된다. 카온과 파이온은 둘 다 중간자에 속한다. 물리학자들은 Λb 입자의 반물질 변형체가 물질-대응물 처럼 자주 붕괴되어 입자로 변하는지를 시험했다.

그들은 다르다!

성공:
"결과는 Λb 중입자와 그 반중입자의 붕괴 속도에 상당한 비대칭성이 있음을 보여준다"고 물리학자들이 보고했다. LHCb 데이터는 중입자와 반입자의 붕괴 주파수 사이에 2.45%의 차이가 있음을 보여주었다. 연구팀은 "이 비대칭성은 0에서 5.2표준편차(시그마)만큼 벗어난다"고 밝혔다. 물리학에서 5시그마는 관찰이 공식적으로 탐지 및 발견으로 간주되는 한계로 여긴다.

Vagnoni와 그의 동료들은 "이것은 중입자 붕괴에서 CP 위반의 첫 번째 증거다"고 말했다. 물리학자들의 보고에 따르면, 이러한 대칭성 붕괴는 데이터에서 매우 강력하여 모든 하위 집합에서 명백하게 나타났으며, 잠재적인 영향 요소를 고려해도 마찬가지였다.

▲ 두 곡선은 Λb 중입자(왼쪽)와 이를 구성하는 입자의 붕괴 주파수에 차이가 있음을 보여준다. © LHCb Collaboration / arXiv-Preprint, CC-by 4.0

반물질 퍼즐을 푸는 데 중요한 도움이 된다

이 증명은 물리학에 있어서 중요한 이정표이다. 그는 처음으로 물질의 구성 요소가 반입자의 행동과 다르다는 것을 증명했다. 연구자들은 "바리온의 CP 위반에 대한 첫 번째 관찰은 이제 이 비대칭성의 본질에 대한 추가적인 이론적, 실험적 조사의 길을 열었다"고 설명했다. 이러한 붕괴 차이의 원인을 알아내는 것이 반물질 퍼즐을 푸는 데 도움이 될 수 있기 때문이다.

동시에 이 발견은 표준 모형과 그 간극에 대한 새로운 정보를 제공한다. 이는 알려진 입자와 힘을 넘어서는 과정을 가리키지만 동시에 그러한 "새로운 물리학" 시나리오를 제한하기 때문이다. Vagnoni는 "CP 위반이 있는 시스템을 더 많이 관찰할수록, 그리고 측정이 더 정확해질수록, 표준 모형을 테스트하고 그 너머의 물리학을 찾을 수 있는 기회가 더 많아진다"고 말했다.
(Rencontres de Moriond Conference, 2025; Nature 제출, arXiv 사전 인쇄본, doi: 10.48550/arXiv.2503.16954)
출처: CERN, arXiv Preprint

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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