$CP$-odd form factor in the $HWW$ vertex

우주는 물질을 결합시키고 밀어내는 일련의 근본적인 힘들을 바탕으로 구축되어 있습니다. 수십 년 동안 물리학자들은 이러한 힘과 이를 전달하는 입자들을 설명하기 위해 '표준 모델'이라 불리는 하나의 매우 성공적인 이론에 의존해 왔습니다. 이 이론의 중심에는 마치 두꺼운 물속을 움직일 때 속도가 느려지는 것처럼, 다른 입자들에게 질량을 부여하는 특별한 장(field)이 있습니다. 이 장의 물리적 증거는 2012년에 발견된 힉스 입자라는 입자입니다. 이 발견 이후, 과학자들은 힉스 입자가 이론이 예측하는 대로 정확하게 행동하는지, 아니면 새롭고 예상치 못한 징후를 보이는지 확인하기 위해 극도로 정밀하게 그 특성들을 측정하는 데 매진해 왔습니다. 이론을 테스트하는 가장 중요한 방법 중 하나는 힉스 입자가 다른 입자들, 구체적으로 약한 핵력을 전달하는 매개체인 W 보손과 어떻게 상호작용하는지 관찰하는 것입니다.

멕시코 베네메리타 자치 대학교 연구진의 새로운 연구는 ��클스 입자와 이 W 보손 사이의 매우 미묘한 상호작용을 자세히 살펴봅니다. 입자 물리학의 표준 관점에 따르면, 힉스 입자는 두 개의 W 보손으로 붕괴할 수 있지만, 에너지와 질량의 법칙 때문에 이 과정 동안 두 W 보손이 동시에 완전히 안정적이고 '실재하는' 상태로 존재하는 것은 불가능합니다. 그중 하나는 찰나의 순간 동안만 존재하다가 다른 물질로 변하는 덧없는 가상 입자여야 합니다. 연구진은 '패리티(parity)'라고 불리는 성질과 관련된 이 상호작용의 매우 희귀한 특징에 주목했는데, 패리티는 본질적으로 시스템이 거울에 비쳤을 때 어떻게 보이는지를 설명합니다. 주요 힘들은 보통 왼쪽과 오른쪽을 동일하게 취급하지만, 특정 희귀 양자 효과는 미세한 차이를 만들어낼 수 있습니다. 연구팀은 이 거울 대칭을 깨뜨리는 효과가 표준 모델 내에서 정확히 얼마나 강한지를 계산하고자 했으며, 이는 이전까지 수치로 답해진 적이 없는 질문이었습니다.

입자들이 나타났다 사라지는 루프(loop) 과정을 포함하는 복잡한 계산을 수행하기 위해 강력한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용한 결과, 연구진은 이러한 거울 대칭을 깨뜨리는 효과가 존재하지만 믿기 힘들 정도로 미미하다는 것을 발견했습니다. 그들은 이 효과가 두 W 보손이 서로 다른 양의 에너지를 가질 때만 발생한다는 것을 발견했는데, 이는 힉스 입자의 붕괴 과정에서 항상 성립하는 조건입니다. 이 효과의 크기는 다른 입자들, 특히 무거운 쿼크와 경입자들이 상호작용 내부에 잠시 나타나는 루프들에 의해 결정됩니다. 연구진은 이 효과의 강도가 약 10만 분의 1 정도라고 계산했습니다. 이를 이해하기 쉽게 설명하자면, 만약 당신이 10만 명의 군중 속에서 이 신호를 감지하려 한다면, 약간 박자가 어긋난 단 한 명의 사람을 찾는 것과 같습니다. 이 값은 현재 기술로는 감지하기에 너무 작으며, 현재 기술은 약 100억 배 더 큰 신호만을 감지할 수 있습니다.

현재는 관측하기에 너무 작지만, 이 효과를 찾는 것은 중요합니다. 왜냐하면 이것이 표준 모델의 진정한 예측을 나타내기 때문입니다. 연구진은 이 미세한 신호가 물리 법칙의 근본적인 대칭성 위반에 의해 발생하는 것이 아니라, 입자들이 움직이고 루프 내에서 상호작용하는 방식에 의해 발생한다는 것을 보여주었습니다. 그러나 이 신호는 복잡하고 특정한 수학적 구조를 가지고 있기 때문에, 제거할 수 없는 배경 소음을 생성합니다. 만약 미래에 과학자들이 훨씬 더 큰 거울 대칭 파괴 효과를 발견한다면, 그들은 자신들이 보고 있는 것이 새로운 물리 현상인지 아니면 놓친 계산에 의한 것인지 확신하기 위해 이 아주 작은 표준 모델의 배경이 정확히 어느 정도인지 알아야 할 것입니다. 연구는 또한 이 희미한 효과가 입자들이 붕괴로부터 튀어나오는 방식을 어떻게 변화시키는지 조사했습니다. 그들은 이것이 입자들이 한 방향으로 이동하거나 특정 방식으로 회전하는 것에 대해 매우 미세한 선호도를 만든다는 것을 발견했습니다. '비대칭성'이라고 알려진 이러한 선호도 역시 매우 작아서, 약 100만 분의 1 또는 1,000만 분의 1 정도의 값을 가집니다.

논문은 이러한 효과들이 실재하며 처음으로 계산되었음에도 불구하고, 현재 우리의 가장 민감한 검출기들에게는 보이지 않는 상태라고 결론짓습니다. 힉스 입자를 발견했던 거대한 기계인 대형 강입자 충돌기(LHC)조차도 이러한 미세한 편차를 측정할 만큼 아직 충분히 민감하지 않습니다. 연구진은 입자의 스핀과 방향을 분석하는 방식이 향다면 결국 이 목표에 가까워질 수 있을 것이라고 언급했습니다. 그때까지 이 연구는 표준 모델이 예측하는 정확한 기준선을 정의하는 중요한 지도가 될 것입니다. 이는 우리가 마침내 거울을 깨뜨리는 신호를 보게 되었을 때, 그것이 우리가 놓친 계산 때문이 아니라 새로운 물리학으로부터 온 것임을 확실히 알 수 있게 해줍니다. 이 연구는 우주가 가장 미묘하고 숨겨진 구석에서도 현재의 규칙들과 일치함을 확인시켜 줍니다.