Search for rare charm decays at BESIII

우주는 물리학자들이 표준 모델이라고 부르는 일련의 규칙 위에 세워져 있습니다. 이는 물질과 에너지가 어떻게 행동하는지를 보여주는 성공적인 지도이지만, 몇 가지 거대한 질문들을 해결하지 못한 채로 남아 있습니다. 왜 반물질보다 물질이 더 많은가? 은하계를 하나로 묶어주는 암흑 물질은 무엇인가? 이 질문들에 대한 답을 찾기 위해 과학자들은 단순히 새롭고 무거운 입자를 찾는 것에 그치지 않고, 기존 지도의 균열을 찾습니다. 그들은 현재의 규칙에 의해 너무나 희귀하거나 금지된 과정을 추적하며, 단 하나의 사례라도 발견된다면 그것이 새로운 무언가가 일어나고 있다는 신호가 될 것이라고 믿습니다. 이러한 균열을 찾기에 가장 유망한 장소 중 하나는 참 쿼크(charm quarks)의 세계입니다. 이들은 무겁고 불안정하여 빠르게 붕괴하는 입자들이지만, 붕괴할 때 대칭성의 미묘한 위반이나 정체성의 예상치 못한 변화를 드러낼 수 있습니다. 수십억 건의 이러한 붕계 과정을 연구함으로써, 연구자들은 우리의 이해가 가진 한계를 시험하고 우주가 표준 모델이 예측하는 대로 정확하게 작동하는지, 아니면 새로운 이론이 설명해야 할 비밀을 간직하고 있는지 확인할 수 있습니다.

이 탐사의 중심에는 중국 베이징에 위치한 거대 검출기인 BESIII 실험이 있습니다. 이 실험 장치는 전자와 그 반물질 짝인 양전자가 서로 충돌하는 저장링 안에 자리 잡고 있습니다. 이러한 충돌은 새로운 입자들이 탄생하고 즉시 붕괴하는 깨끗한 환경을 만들어냅니다. 연구진은 참 쿼크와 반참 쿼크가 결합된 상태인 차름모늄(charmonium)이라는 특정 입자의 세계 최대 규모 샘플을 포함하여 방대한 양의 데이터를 수집했습니다. 이 거대한 데이터셋을 바탕으로, 팀은 여러 유형의 희귀 붕괴를 포괄적으로 검토하며, 표준 모델이 일어나서는 안 된다고 하거나 혹은 일어나더라도 사실상 보이지 않을 정도로 매우 드물게 일어나야 한다고 말하는 물리 현상의 징후를 찾았습니다.

첫 번째 조사 영역은 차름모늄의 약한 상호작로(weak decay)를 포함합니다. 표준 모델에서 이 입자들은 강한 상호작용이나 전자기력을 통해 붕괴할 것으로 예상되지만, 방사능을 일으키는 약한 상호작용을 통해 붕괴할 아주 미세하고 거의 불가능한 확률이 존재합니다. 연구진은 차름모늄 입자가 중성 D 중간자(D meson)와 K 스타(K star) 중간자 쌍과 같은 다른 입자 쌍으로 변하는 특정 패턴을 조사했습니다. 이러한 희귀한 사건을 찾기 위해 그들은 영리한 기술을 사용했는데, 일반적인 입자 충돌의 압도적인 배경 소음을 걸러내는 방식으로 붕괴 생성물 중 하나를 재구성하는 것이었습니다. 데이터를 분석한 결과, 이러한 약한 붕괴의 증거는 발견되지 않았습니다. 대신, 그들은 이러한 사건이 발생할 수 있는 빈도에 대해 훨씬 더 엄격한 새로운 한계치를 설정하여, 허용되는 경계치를 천만 분의 일 수준까지 낮추었습니다. 이 결과는 붕괴가 일어난다는 것을 증명하는 것이 아니라, 그것이 더 흔할 것이라고 예측했던 많은 이론들을 배제하는 것입니다.

다음으로, 팀은 맛깔 변화 중성 전류(flavor-changing neutral currents)를 조사했습니다. 입자 물리학의 언어로, 이것은 쿼크가 전기 전하를 바꾸지 않으면서 그 종류, 즉 '맛깔(flavor)'을 바꾸는 과정을 설명합니다. 표준 모델은 이를 허용하지만, 매우 복잡하고 간접적인 루프를 통해서만 가능하기 때문에 극도로 희귀합니다. 연구진은 차름모늄 입자가 중성 D 중간자와 뮤온 쌍, 또는 중성 D 중간자와 광자로 변하는 붕괴를 조사했습니다. 또한 특정 에너지 임계값에서 쌍으로 생성되는 D 중간자가 포함된 유사한 붕계도 살펴보았습니다. 쌍 중 한 입자를 표식(tagging)함으로써, 그들은 다른 입자를 높은 정밀도로 연구할 수 있었습니다. 아무런 신호도 발견되지 않았습니다. 이러한 탐사를 통해 설정된 한계치는 이제 표준 모델이 이러한 사건들이 발생해야 한다고 예측하는 수준에 근접해 있으며, 이는 만약 새로운 물리학이 이러한 붕괴 속에 숨어 있다면 매우 미묘한 방식으로 숨어 있음을 의미합니다.

또한 연구는 전하를 띤 경량자 맛깔 위반(charged-lepton flavor violation)으로 확장되었습니다. 우리는 중성미트가 맛깔을 바꿀 수 있다는 것을 알고 있지만, 표준 모델은 전자나 뮤온과 같은 더 무거운 입자들이 붕괴 과정에서 결코 정체를 바꾸지 않는다고 예측합니다. 전자가 뮤온으로 변하거나 그 반대의 경우를 발견하는 것은 새로운 물리학의 명확한 징후가 될 것입니다. 연구진은 사이(psi) 입자가 전자와 뮤온으로 붕괴하는 경우와 에타(eta) 중간자가 동일한 쌍으로 붕괴하는 경우 등 여러 곳에서 이를 조사했습니다. 그들은 충돌기의 깨끗한 환경을 활용하여 이러한 희귀한 사건을 배경 소음으로부터 구별해 냈습니다. 결과는 그러한 사건의 완전한 부재였습니다. 그들은 이러한 과정에 대해 역대 가장 엄격한 한계치를 확립했으며, 이는 더 높은 비율의 맛깔 교환을 예측했던 많은 모델들을 효과적으로 배제합니다. 이러한 무효 결과(null results)는 그러한 위반을 일으킬 수 있는 이론적 힘에 강력한 제약을 가합니다.

마지막으로, 팀은 자연의 근본 원리인 보스 대칭성(Bose symmetry)을 조사했습니다. 이 규칙은 두 개의 중성 카온(kaon)과 같이 스핀이 0인 동일한 두 입자는 특정 양자 역학적 특성을 위반하는 상태로 존재할 수 없음을 명시합니다. 차름모로늄 붕괴로부터 생성된 두 개의 중성 카온의 구체적인 경우, 미세한 대칭성 깨짐이 발생하지 않는 한 해당 사건은 금지될 것으로 표준 모델은 예측합니다. 연구진은 두 개의 중성 카온이 동시에 생성되는 현상을 조사했습니다. 그들은 그러한 사건을 발견하지 못했습니다. 그들이 설정한 한계치는 매우 낮아서, 얽힌 입자들이 이러한 규칙을 깨뜨리는 방식으로 행동할 수 있다고 제안하는 양자 중력 및 국소성 위반과 관련된 일부 제안된 이론들의 예측치보다도 아래에 있습니다. 그러나 이 결과는 표준 모델 내의 알려진 원인에 의한 미세한 위반 수준보다는 높게 유지되어 있습니다.

요약하자면, BESIII 협력단은 세계 최대 규모의 참 입자 샘플을 사용하여 희귀하고 금지된 붕괴에 대한 역대 가장 민감한 탐사를 수행했습니다. 그들은 자신들이 쫓던 새로운 물리학의 증거를 발견하지 못했습니다. 대신, 그들은 자연이 놀라울 정도로 정밀하게 그 규칙을 준수하고 있음을 보여줌으로써 표준 모델 주위에 더 좁은 원을 그렸습니다. 새로운 입자나 힘이 발견되지는 않았지만, 이 연구는 끝난 것이 아닙니다. 실험은 충돌 횟수를 늘리고 입자를 추적하는 능력을 향상시킬 업그레이드를 받을 예정입니다. 더 많은 데이터와 더 나은 도구와 함께, 물리학 지도의 가장 작은 균열을 찾는 탐사는 우주의 더 깊은 진실을 밝혀줄 단 하나의 희귀한 사건에 대한 희망을 품고 계속될 것입니다.