Search for events with one displaced vertex from long-lived neutral particles decaying into hadronic jets in the ATLAS muon spectrometer in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV

우주는 물리학자들이 한 세기 동안 해독해 온 일련의 규칙들, 즉 표준 모형이라 알려진 체계 위에 구축되어 있습니다. 이 모델은 가장 작은 알려진 입자들이 어떻게 상호작용하는지를 성공적으로 설명하지만, 우주의 가장 거대한 질문들 중 일부는 해결하지 못한 채 남겨두고 있습니다. 이 모델은 암흑 물질이 무엇인지, 왜 반물질보다 물질이 더 많은지, 또는 입자들이 어떻게 자연스러운 방식으로 질량을 얻는지 설명할 수 없습니다. 이러한 공백을 메우기 위해 과학자들은 새롭고 숨겨진 입자들의 존재를 제안했습니다. 이러한 이론적 입자 중 다수는 '수명이 긴(long-lived)' 특성을 가질 것으로 예측되는데, 이는 이들이 생성되는 즉시 사라지지 않는다는 것을 의미합니다. 대신, 이들은 일반적인 물질로 붕괴하기 전까지 생성 지점으로부터 측정 가능한 거리만큼 이동합니다. 이 미지의 여행자들을 찾아내는 것은 기념비적인 발견이 될 것이며, 현재의 이해를 넘어서는 물리학을 들여다볼 수 있는 직접적인 창을 제공할 것입니다.

프랑스와 스위스 국경 아래 묻혀 있는 거대한 입자 가속기인 대형 강입자 충돌기(LHC)에서, 과학자들은 초기 우주의 조건을 재현하기 위해 양성자를 거의 빛의 속도로 충돌시킵니다. 충돌 지점을 둘러싸고 있는 거대한 검출기 중 하나인 ATLAS 실험은 충돌의 파편을 포착하는 고속 카메라 역할을 합니다. 최근 연구에서 ATLAS 협력팀은 매우 구체적이고 특이한 신호에 주목했습니다. 그것은 바로 검출기의 바깥층 깊숙한 곳, 충돌 지점에서 멀리 떨어진 곳에서 발생하는 단일 붕괴 지점입니다. 대부분의 입자는 즉시 붕괴하거나 명확한 궤적을 남기지만, 이러한 가설상의 수명이 긴 입자들은 몇 미터, 때로는 수십 미터를 이동한 후 갑자기 일반 입자의 분출물로 터져 나옵니다. 연구진은 '변위된 정점(displaced vertex)'을 찾고자 했습니다. 이는 실제 충돌이 일어나지 않은 장소에서 나타나는 충돌 지점을 뜻하며, 숨겨진 입자가 그곳까지 먼저 이동했음을 알리는 신호입니다.

연구팀은 2015년부터 2018년 사이에 수집된 방대한 데이터(140 단위의 충돌 강도에 해당)를 분석했습니다. 그들은 충돌 중심부로부터 3미터에서 14미터 사이에 위치한 ATLAS 검출기의 가장 바깥쪽 껍질인 뮤온 검 spectrometer(muon spectrometer)에 초점을 맞추었습니다. 이 영역은 보통 심부까지 침투할 수 있는 입자인 뮤온을 포착하기 위한 용도로 예약되어 있습니다. 그러나 만약 수명이 긴 입자가 그곳에서 붕괴한다면, 그것은 마치 빈 공간에서 일어나는 작은 폭발처럼 보이는 궤적의 군집을 만들어낼 것입니다. 이러한 희귀한 사건을 찾기 위해, 과학자들은 중심부에 훨씬 더 가깝게 발생하는 평범한 입자 충돌의 압도적인 노이즈를 걸러내면서, 멀리 떨어진 곳에서 발생하는 고립된 활동의 폭발을 재구성할 수 있는 특화된 컴퓨터 알고리즘을 개발했습니다.

이 탐색은 이 숨겨된 입자들이 무엇인지에 대한 여러 가지 이론을 테스트하도록 설계되었습니다. 어떤 이론들은 이들이 2012년에 발견되어 다른 입자들에게 질량을 부여하는 입자인 힉스 보손과 관련이 있다고 제안합니다. 또 다른 이론들은 이들이 우주의 물질과 반물질 사이의 불균형과 연결되어 있거나, 빛과 매우 약하게 상호작용하는 '액시온 유사 입자(axion-like particle)'의 일종이라고 제안합니다. 연구진은 또한 이 입자들이 Z 보손이라 불리는 알려진 입자와 함께 생성되는 시나리오도 조사했습니다. 이처럼 다양한 가능성에 걸쳐 넓은 그물을 던짐으로써, 팀은 이러한 이론적 모델 중 어느 것이 실제 데이터와 일치하는지 결정할 수 있었습니다.

수백만 건의 기록된 사건들을 걸러낸 결과, 연구진은 이러한 수명이 긴 입자의 증거를 발견하지 못했습니다. 관찰된 사건의 수는 검출기 내부 층을 뚫고 들어와 먼 곳에서의 붕괴를 흉내 내는 일반적인 입자들과 같은 알려진 배경 과정으로부터 예상했던 수치와 정확히 일치했습니다. 새로운 신호가 나타나지 않았기 때문에, 팀은 이 입자들의 존재에 대해 엄격한 제한을 설정할 수 있었습니다. 그들은 만약 이 입자들이 존재한다면, 많은 인기 있는 이론들이 예측하는 비율로는 생성될 수 없음을 밝혀냈습니다. 구체적으로, 힉스 보손과 관련된 모델의 경우, 힉스가 5센티미터에서 40미터 사이를 이동하여 붕괴하는 이러한 수명이 긴 입자로 변하는 확률이 1%를 넘을 수 없음을 입증했습니다.

액시온 유사 입자와 관련된 모델의 경우, 이번 탐색은 수십 센티미터 이상을 이동하는 입자에 대해 현재까지 가장 강력한 제약을 만들어냈습니다. 연구는 또한 하나의 붕괴 대신 두 개의 붕괴를 찾는 이전의 탐색 결과와 결합하여, 더 긴 수명에 대한 민감도를 확장했습니다. 비록 이번 탐색이 추적하던 새로운 입자를 찾아내지는 못했지만, 이 결과는 우주를 이해하려는 여정에서 중요한 진전입니다. 이러한 특정 가능성들을 제거함으로써, 과학자들은 이론가들에게 어디를 조사할 필요가 없는지 정확히 알려주었으며, 다음 세대의 실험들이 아직 탐구되지 않은 물리학의 남겨진 구석들을 향해 나아갈 수 있도록 길을 안내했습니다.