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Observation of the Ξb−→Ξ−μ+μ−{\Xi_b^-\to \Xi^-\mu^+\mu^-} and study of the Ξb−→Ξ−ψ(2S){\Xi_b^-\to\Xi^-\psi(2S)} decays

본 논문은 LHCb의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용하여 희귀 붕괴인 Ξb−→Ξ−μ+μ−\Xi_b^-\to\Xi^-\mu^+\mu^-의 첫 관측 결과를 보고하며, 측정된 분기비는 (118±24±7±38)×10−8(118 \pm 24 \pm 7 \pm 38) \times 10^{-8}이고 Ξb−→Ξ−ψ(2S)\Xi_b^-\to\Xi^-\psi(2S)와 Ξb−→Ξ−J/ψ\Xi_b^-\to\Xi^-J/\psi 사이의 새로운 분기비 비율 측정을 제공한다.

원저자: LHCb collaboration, R. Aaij, M. Abdelfatah, A. S. W. Abdelmotteleb, C. Abellan Beteta, F. Abudinén, T. Ackernley, A. A. Adefisoye, B. Adeva, M. Adinolfi, P. Adlarson, C. Agapopoulou, C. A. Aidala, S.
게시일 2026-10-19
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원저자: LHCb collaboration, R. Aaij, M. Abdelfatah, A. S. W. Abdelmotteleb, C. Abellan Beteta, F. Abudinén, T. Ackernley, A. A. Adefisoye, B. Adeva, M. Adinolfi, P. Adlarson, C. Agapopoulou, C. A. Aidala, S. Akar, K. Akiba, H. Al Saleh, P. Albicocco, J. Albrecht, R. Aleksiejunas, F. Alessio, P. Alvarez Cartelle, A. A. Alves Jr, S. Amato, J. L. Amey, Y. Amhis, Z. Amos, L. An, L. Anderlini, P. Andreola, M. Andreotti, S. Andres Estrada, A. Anelli, D. Ao, C. Arata, F. Archilli, Z. Areg, M. Argenton, S. Arguedas Cuendis, L. Arnone, M. Artuso, E. Aslanides, R. Ataíde Da Silva, M. Atzeni, B. Audurier, J. A. Authier, D. Bacher, I. Bachiller Perea, S. Bachmann, M. Bachmayer, J. J. Back, M. Bai, Z. B. Bai, V. Balagura, A. Balboni, W. Baldini, Z. Baldwin, L. Balzani, H. Bao, J. Baptista de Souza Leite, C. Barbero Pretel, I. R. Barbosa, W. Barker, R. J. Barlow, M. Barnyakov, S. Baron, S. Barsuk, W. Barter, J. Bartz, S. Bashir, B. Batsukh, P. B. Battista, A. Bavarchee, A. Bay, A. Beck, M. Becker, F. 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Capriotti, R. Caravaca-Mora, A. Carbone, L. Carcedo Salgado, R. Cardinale, A. Cardini, P. Carniti, L. Carus, R. Caspary, G. Casse, M. Cattaneo, G. Cavallero, V. Cavallini, S. Celani, I. Celestino, S. Cesare, A. J. Chadwick, M. Charles, Ph. Charpentier, E. Chatzianagnostou, R. Cheaib, M. Chefdeville, C. Chen, J. Chen, S. Chen, Z. Chen, A. Chen Hu, M. Cherif, S. Chernyshenko, X. Chiotopoulos, G. Chizhik, V. Chobanova, A. Christakakis, M. Chrzaszcz, Y. Chu, V. Chulikov, P. Ciambrone, X. Cid Vidal, P. Cifra, P. E. L. Clarke, M. Clemencic, H. V. Cliff, J. Closier, C. Cocha Toapaxi, V. Coco, A. Codovini, C. S. Codovini, J. Cogan, E. Cogneras, L. Cojocariu, S. Collaviti, P. Collins, T. Colombo, M. Colonna, A. Comerma-Montells, L. Congedo, J. Connaughton, A. Contu, N. Cooke, A. Corallo, G. Cordova, C. Coronel, I. Corredoira, A. Correia, G. Corti, G. C. Costantino, C. Cotirlan, J. Cottee Meldrum, B. Couturier, D. C. Craik, N. Crepet, M. Cruz Torres, M. Cubero Campos, E. Curras Rivera, R. Currie, C. L. Da Silva, X. Dai, J. Dalseno, C. D'Ambrosio, G. Darze, A. Davidson, O. De Aguiar Francisco, C. De Angelis, F. De Benedetti, J. de Boer, K. De Bruyn, S. De Capua, M. De Cian, U. De Freitas Carneiro Da Graca, F. De Gregorio, E. De Lucia, J. M. De Miranda, L. De Paula, A. De Robertis, E. De Santis, M. De Serio, P. De Simone, F. De Vellis, J. A. de Vries, F. Debernardis, D. Decamp, S. Dekkers, L. Del Buono, B. Demaire-Lepape, J. Deng, O. Deschamps, F. Dettori, B. Dey, P. Di Nezza, S. Ding, Y. Ding, L. Dittmann, J. F. Diverchy, A. D. Docheva, A. Doheny, C. Dong, F. Dordei, J. Dorta Moreno, A. C. dos Reis, J. Dos Santos Oliveira, A. D. Dowling, L. Dreyfus, W. Duan, P. Duda, L. Dufour, V. Duk, P. Durante, M. M. Duras, J. M. Durham, K. Duwe, A. Dziurda, S. Easo, E. Eckstein, U. Egede, S. Eisenhardt, E. Ejopu, L. Eklund, M. Elashri, D. Elizondo Blanco, J. Ellbracht, S. Ely, A. Ene, T. Evans, F. Fabiano, S. Faghih, L. N. Falcao, B. Fang, R. Fantechi, L. Fantini, M. Faria, K. 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Hutchcroft, M. Idzik, P. Ilten, A. Iohner, S. Jacevicius, H. Jage, S. J. Jaimes Elles, S. Jakobsen, T. Jakoubek, E. Jans, A. Jawahery, C. Jayaweera, A. Jelavic, V. Jevtic, Z. Jia, E. Jiang, X. Jiang, Y. Jiang, Y. J. Jiang, E. Jimenez Moya, N. Jindal, M. John, A. John Rubesh Rajan, D. Johnson, C. R. Jones, S. Joshi, B. Jost, J. Juan Castella, N. Jurik, I. Juszczak, K. Kalecinska, D. Kaminaris, S. Kandybei, M. Kane, Y. Kang, C. Kar, A. Kauniskangas, J. W. Kautz, M. K. Kazanecki, F. Keizer, M. Kenzie, T. Ketel, B. Khanji, S. Kholodenko, V. Kholoimov, G. Khreich, F. Kiraz, T. Kirn, V. S. Kirsebom, N. Kleijne, A. Kleimenova, D. Klekots, K. Klimaszewski, M. R. Kmiec, T. Knospe, R. Kolb, S. Koliiev, L. Kolk, A. Konoplyannikov, P. Kooij, P. Kopciewicz, P. Koppenburg, A. Korchin, I. Kostiuk, O. Kot, S. Kotriakhova, E. Kowalczyk, O. Kravcov, M. Kreps, W. Krupa, W. Krzemien, O. Kshyvanskyi, S. Kubis, M. Kucharczyk, A. Kupsc, A. Kurzina, V. Kushnir, B. Kutsenko, J. Kvapil, I. Kyryllin, D. Lacarrere, P. Laguarta Gonzalez, A. Lai, A. Lampis, D. Lancierini, C. Landesa Gomez, G. Lanfranchi, C. Langenbruch, T. Latham, F. Lazzari, C. Lazzeroni, R. Le Gac, H. Lee, R. Lefèvre, M. Lehuraux, C. Lemettais, E. Lemos Cid, O. Leroy, T. Lesiak, E. D. Lesser, B. Leverington, A. Li, C. Li, C. Li, H. Li, J. Li, K. Li, L. Li, L. Li, P. Li, P. -R. Li, Q. Li, T. Li, T. Li, W. Li, Y. Li, Y. Li, Y. Li, Z. Li, Z. Lian, Q. Liang, X. Liang, Z. Liang, S. Libralon, A. Lightbody, J. Lin, S. Lin, T. Lin, R. Lindner, H. Linton, V. Lisovskyi, R. Litvinov, D. Liu, F. L. Liu, G. Liu, K. Liu, S. Liu, W. Liu, X. Liu, Y. Liu, Y. Liu, Y. L. Liu, G. Loachamin Ordonez, I. Lobo, A. Lobo Salvia, A. Loi, T. Long, F. C. L. Lopes, J. H. Lopes, A. Lopez Huertas, C. Lopez Iribarnegaray, Q. Lu, C. Lucarelli, D. Lucchesi, M. Lucio Martinez, Y. Luo, A. Lupato, M. Lupberger, E. Luppi, K. Lynch, J. Lyu, S. Lyu, X. -R. Lyu, H. Ma, S. Maccolini, F. Machefert, F. Maciuc, B. Mack, I. Mackay, L. M. Mackey, L. R. Madhan Mohan, M. J. Madurai, D. Magdalinski, J. J. Malczewski, S. Malde, L. Malentacca, G. Manca, C. Mancuso, R. Manera Escalero, A. Mangalasseri, F. M. Manganella, R. Mangrulkar, D. Manuzzi, S. Mao, D. Marangotto, J. F. Marchand, R. Marchevski, U. Marconi, L. Mareso, E. Mariani, S. Mariani, C. Marin Benito, J. Marks, A. M. Marshall, L. Martel, G. Martelli, G. Martellotti, L. Martinazzoli, M. Martinelli, C. Martinez, A. Martinez Armas, D. Martinez Gomez, D. Martinez Santos, F. Martinez Vidal, A. Martorell i Granollers, A. Massafferri, R. Matev, A. Mathad, C. Matteuzzi, K. R. Mattioli, L. Matzner, A. Mauri, E. Maurice, J. Mauricio, P. Mayencourt, J. Mazorra de Cos, M. Mazurek, D. Mazzanti Tarancon, M. McCann, N. T. McHugh, A. McNab, R. McNulty, B. Meadows, S. E. R. Medaer, D. Melnychuk, D. Mendoza Granada, P. Menendez Valdes Perez, F. M. Meng, M. Merk, A. Merli, L. Meyer Garcia, D. Miao, H. Miao, S. Mico, M. Mikhasenko, D. A. Milanes, A. Minotti, E. Minucci, B. Mitreska, D. S. 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미시 세계에서 자연은 표준 모델이라고 알려진 엄격한 규칙 세트를 따릅니다. 이 프레임워크는 우주의 가장 작은 구성 요소들이 어떻게 상호작용하는지를 설명하지만, 동시에 드문 루프홀(허점)도 포함하고 있습니다. 그러한 루프홀 중 하나는 바텀 쿼크라고 불리는 무거운 입자가 더 가벼운 스트레인지 쿼크로 변하는 특정한 형태의 변환과 관련이 있습니다. 표준 모델에 따르면, 이러한 전환은 수행하기가 매우 어렵습니다. 이 사건을 억제하는 복잡하고 간접적인 경로를 통해서만 일어날 수 있기 때문에 매우 드문 현상이 됩니다. 이러한 사건들은 매우 희귀하기 때문에, 물리 법칙을 테스트하는 민감한 시험대 역할을 합니다. 만약 우주가 이러한 희귀한 순간에 표준 모델이 예측하는 것과 약간 다르게 행동한다면, 이는 그림자 속에 숨어 있는 발견되지 않은 새로운 힘이나 입자의 신호일 수 있습니다.

수십 년 동안 과학자들은 이러한 희귀한 사건에 대한 탐색을 두 개의 쿼크로 이루어진 메존(중간자)이라는 입자에 집중해 왔습니다. 그러나 세 개의 쿼크로 이루어진 바리온이라는 또 다른 입자 가족이 존재합니다. 이 바리온들은 스핀(자전)을 하기 때문에 메존이 갖지 못한 복잡성을 더해주며, 색다른 관점을 제공합니다. 지금까지 바리온에서의 이러한 희귀한 변환에 대한 대부분의 연구는 단 한 가지 유형에 국한되어 있었으며, 이는 더 무겁고 복잡한 입자에 이 규칙들이 어떻게 적용되는지에 대한 이해의 공백을 남겼습니다. 무거운 쿼크를 연구하도록 설계된 거대한 검출기인 CERN의 LHCb 실험은 이제 Ξb−\Xi_b^-라고 알려진 더 무거운 바리온으로 시선을 돌렸습니다. 이 입자는 이전에 연구되었던 것들보다 생성되기가 훨씬 더 희귀하여, 이의 희귀한 붕괴를 찾는 것은 상당한 도전 과제가 됩니다.

LHCb 검출기를 사용하는 연구팀은 처음으로 Ξb−\Xi_b^- 바리온의 희귀한 붕데를 관측하는 데 성공했습니다. 이 과정에서 무거운 바리온은 Ξ−\Xi^-라는 더 가벼운 입자와 전자의 무거운 사촌 격인 뮤온 쌍으로 변합니다. 이 사건은 바텀 쿼크가 스트레인지 쿼크로 변하는 희귀한 전이에 의해 구동됩니다. 이 신호를 찾기 위해 연구팀은 수년간 거대 강입자 충돌기에서 수집된 방대한 양의 양성자-양성자 충돌 데이터를 분석했습니다. 그들은 특정한 서명(signature)을 찾았습니다. 즉, 무거운 바리온이 먼저 Ξ−\Xi^-와 두 개의 뮤온으로 쪼개진 후, Ξ−\Xi^- 자체가 람다 입자와 파이온으로 붕괴하고, 다시 람다 입자가 양성자와 또 다른 파이온으로 붕괴하는 연쇄적인 붕괴 과정을 추적하는 것입니다. 이 독특한 사건의 사슬은 배경 잡음이 흉내 내기 매우 어려운 뚜렷한 경로를 검출기 내에 만들어냅니다.

연구진은 이 붕괴에 대한 명확한 증거를 발견했으며, 통계적으로 발견(discovery)으로 간주될 만큼 유의미한 신호를 관측했습니다. 그들은 이 사건이 발생하는 횟수를 세고, 이를 Ξb−\Xi_b^-가 Ξ−\Xi^-와 J/psi 입자(참 쿼크와 그 반입자로 이루어진 잘 알려진 상태)로 변하는 더 흔한 유사 붕괴와 비교했습니다. 이 흔한 붕괴를 기준점으로 사용함으로써, 연구팀은 입자가 얼마나 자주 생성되는지 및 검출기가 이를 어떻게 포착하는지와 관련된 많은 불확실성을 제거할 수 있었습니다. 이 방법 덕분에 연구팀은 이 희귀한 사건의 확률을 훨씬 더 정밀하게 측정할 수 있었습니다. 그들은 분기율(branching fraction), 즉 이 특정 붕괴가 가능한 모든 방식 중 이 붕괴가 일어날 확률이 대략 118×10−8118 \times 10^{-8}이라고 결정했습니다. 이는 천만 번의 붕괴 중 이 희귀한 사건이 약 한 번 일어난다는 것을 의미하며, 이는 바리온과 관련된 다른 유사한 과정들에 비해 놀라울 정도로 높은 비율입니다.

연구는 또한 이 붕애가 서로 다른 에너지 수준에서 어떻게 작동하는지, 구체적으로 생성된 두 뮤온의 질량을 조사함으로써 살펴보았습니다. 연구진은 이 질량에 따라 데이터를 세 개의 뚜렷한 범위로 나누었습니다. 가장 높은 에너지 범위에서 그들은 매우 강력한 신호를 발견하여 이 붕괴가 그곳에서 빈번하게 발생함을 확인했습니다. 중간 범위에서는 붕괴의 증거를 발견했으나 확실성은 다소 낮았습니다. 가장 낮은 에너지 범위에서는 신호가 너무 약해 확인이 불가능했기에, 이 사건이 얼마나 자주 일어날 수 있는지에 대한 상한선을 설정했습니다. 이러한 측정값들은 격자 양자 색역학(lattice quantum chromodynamics)에 기반한 이론적 모델의 예측과 비교되었습니다. 결과는 특히 고에너지 영역에서 이러한 예측과 잘 일치하였으며, 이는 현재의 표준 모델에 대한 이해가 이러한 무겁고 복잡한 입자들에 대해서도 유효하다는 것을 시사합니다.

연구팀은 희귀한 뮤온 쌍 붕괴 외에도, Ξb−\Xi_b^-가 Ξ−\Xi^-와 J/psi의 더 무거운 사촌인 ψ(2S)\psi(2S)로 붕괴하는 관련 과정을 연구했습니다. 그들은 이 과정이 흔한 J/psi 붕괴에 비해 얼마나 자주 일어나는지의 비율을 측정했습니다. 그들은 ψ(2S)\psi(2S) 붕괴가 J/psi 붕괴보다 약 절반 정도 자주 일어난다는 것을 발견했습니다. 이 결과는 다른 유형의 바리온에서 수행된 측정값들과 일치하며, 입자가 붕괴할 때 발생하는 복잡한 상호작용의 역할을 이해하는 데 도움을 줍니다. 희귀한 뮤온 쌍 붕괴가 더 가벼운 입자들의 유사한 붕괴와 비슷하거나 혹은 더 높은 비율로 일어난다는 사실은, Ξb−\Xi_b^-의 무거운 질량이 낮은 생성율을 부분적으로 상쇄하여 이 놓치기 쉬운 사건들을 관측하는 것을 가능하게 했을 수도 있음을 시사합니다.

이 발견은 무거운 바리온 연구의 새로운 장을 엽니다. 이러한 희귀한 붕괴가 발생함을 확인하고 그 비율을 측정함으로써, 연구진은 표준 모델을 테스트하기 위한 새로운 기준점을 제공했습니다. 고유한 스핀 특성을 가진 더 무거운 바리온 시스템에서 이러한 사건을 관측할 수 있는 능력은, 새로운 물리학의 존재를 암시할 수 있는 편차를 확인할 수 있는 보완적인 방법을 제공합니다. 향후 몇 년 동안 LHCb 실험이 더 많은 데이터를 계속 수집함에 따라, 과학자들은 이 붕괴의 상세한 각도 패턴을 연구하여 우주를 지배하는 근본적인 힘에 대한 더 깊은 비밀을 밝혀낼 수 있을 것입니다. Ξb−→Ξ−μ+μ−\Xi_b^- \to \Xi^- \mu^+ \mu^- 붕괴의 관측은 실재의 구성 요소를 이해하려는 정밀 측정의 힘을 보여주는 증거입니다.

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