Search for charged-lepton-flavour violating $e\mu tq$ interactions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

우리가 이해하는 바에 따르면, 이 우주에는 전자, 뮤온, 타우라는 세 가지 뚜렷한 계열의 입자인 경입자(leptons)가 존재합니다. 수십 년 동안 기초 물리학의 법칙은 이 계열들이 엄격히 분리되어 있다고 유지해 왔습니다. 전자가 자발적으로 뮤온으로 변해서는 안 되며, 마찬가지로 뮤온이 전자가 되어서도 안 됩니다. 이러한 "맛깔 보존(flavor conservation)"의 규칙은 자연의 가장 작은 구성 요소들이 어떻게 상호작용하는지에 대한 우리의 최선의 이론인 표준 모델의 초석입니다. 하지만 우리는 이 규칙이 모든 입자에 대해 절대적인 것은 아니라는 점을 알고 있습니다. 이들의 유령 같은 사촌 격인 중성미자(neutrinos)는 이동 중에 맛깔을 바꿀 수 있다는 사실이 알려져 있으며, 이는 노벨상을 안겨준 발견이자 자연이 우리의 가장 단순한 방정식보다 더 유동적이라는 것을 증명했습니다. 이는 물리학자들에게 매혹적인 질문을 던집니다. 만약 중성미자가 규칙을 깰 수 있다면, 이보다 더 무거운 전하를 띤 입자들도 그럴 수 있을까요? 고에너지 충돌에서 전자와 뮤온이 서로의 정체를 바꾸는 단 하나의 사례라도 찾아낸다면, 그것은 새로운 물리학을 가리키는 결정적 증거(smoking gun)가 될 것이며, 현재의 이해를 넘어서 존재하는 힘이나 입자를 지목하게 될 것입니다.

이 희귀한 변환을 추적하기 위해, 스위스에 있는 거대 강입자 충돌기(LHC)의 과학자들은 알려진 가장 무거운 기본 입자인 톱 쿼크(top quark)로 시선을 돌렸습니다. 이 입자는 매우 질량이 커서 생성된 직후 아주 짧은 순간 동안 사라지며 붕괴합니다. 대성당 크기의 거대한 검출기인 ATLAS 실험 장치는 충돌 지점을 둘러싸고 있으며, 수십억 건의 이러한 충돌을 기록해 왔습니다. 최근 분석에서 연구팀은 140 페브토초르만(inverse femtobarns)에 달하는 충돌 데이터, 즉 검출기가 두 번째 주요 가동 기간 동안 수집한 전체 데이터 세트에 해당하는 방대한 정보를 샅샅이 조사했습니다. 그들은 매우 구체적이고 특이한 신호를 찾고 있었습니다. 즉, 일반적인 입자들의 혼합물로 붕괴하는 대신, 하나의 톱 쿼크가 전자 하나, 뮤온 하나, 그리고 다른 입자들의 제트(jet)로 쪼개지는 동시에, 동일한 사건 내의 두 번째 톱 쿼크는 정상적으로 행동하는 경우입니다. 이 특정 조합인 전자와 뮤온이 단일 톱 쿼크로부터 함께 나타나는 현상은 맛깔 보존 규칙의 명백한 위반이 될 것입니다.

연구진은 이러한 위반이 발생할 수 있는 두 가지 서로 다른 시나리오를 살펴보는 방식으로 탐색에 접근했습니다. 첫 번째 시나리오는 단일 톱 쿼크가 렙톤 쌍과 함께 직접 생성되는 경우이며, 두 번째는 톱 쿼크 한 쌍이 생성되되 그중 하나가 이 금지된 방식으로 붕괴하는 경우입니다. 그들이 쫓는 신호는 평범한 배경 사건들의 산더미 아래에 믿기지 않을 정도로 희미하게 묻혀 있을 것으로 예상되기 때문에, 연구팀은 신호를 잡음으로부터 구별하기 위해 정교한 컴퓨터 알고리즘을 사용했습니다. 이 알고리즘은 고도로 훈련된 필터처럼 작동하여, 톱 쿼크가 이상하게 행동했음을 나타내는 입자들의 에너지와 방향의 미묘한 패턴을 인식하도록 학습되었습니다. 그들은 정확히 세 개의 전하를 띤 입자(전자 또는 뮤온)와 적어도 하나의 제트를 포함하는 사건들에 집중했으며, Z 보존의 붕괴와 같이 신호를 흉내 낼 수 있는 흔한 배경 과정들을 포함하는 사건들을 주의 깊게 제거했습니다.

분석을 수행한 결과, 연구팀은 그들이 찾고자 했던 전하 렙톤 맛깔 위반(charged-lepton-flavor violation)의 증거를 발견하지 못했습니다. 관찰된 사건의 수는 표준 모델의 예측과 완벽하게 일치했으며, 데이터에서 이상한 과잉 현상도 나타나지 않았습니다. 이러한 '결과 없음(null result)'은 그 자체로 중요한 발견입니다. 이는 과학자들이 이러한 금지된 붕괴가 실제로 얼마나 자주 일어날 수 있는지에 대한 엄격한 한계치를 설정할 수 있게 해줍니다. 그들은 만약 이러한 과정이 실제로 일어난다면, 그것은 매우 드물게, 즉 수억 번의 톱 쿼크 붕괴 중 한 번 미만으로 일어나야 한다고 계산했습니다. 구체적으로, 톱 쿼크가 전자, 뮤온, 업 쿼크(up-quark)로 붕괴할 확률은 10억 분의 6 미만이며, 전자, 뮤온, 참 쿼크(charm-quark)로 붕괴할 확률은 1,000만 분의 3 미만임을 밝혀냈습니다.

이러한 한계치는 이러한 위반을 일으키기 위해 필요한 새로운 힘의 이론적 "강도"에 대한 제약 조건으로 변환됩니다. 연구진은 이러한 효과를 일으킬 수 있는 새로운 물리학은 극도로 약하거나, 현재의 충돌기가 도달할 수 있는 범위를 훨씬 넘어서는 에너지 척도에 존재해야 한다는 것을 발견했습니다. 이 연구는 이러한 위반이 흔할 것이라고 예측했던 광범위한 이론적 모델들을 효과적으로 배제했습니다. 비록 이번 탐색에서 그들이 기대했던 새로운 입자나 힘을 찾아내지는 못했지만, 새로운 물리학이 숨어 있을 수 있는 지도를 성공적으로 좁혀 놓았습니다. 신호의 부재는 표준 모델이 이 영역에서 여전히 견고함을 확인시켜 주었지만, 동시에 자연의 규칙에 생긴 균열을 계속해서 추적하기 위한 더 강력한 기계들을 갖춘 미래의 실험을 위한 발판을 마련했습니다.