새 논문: 힉스 입자의 붕괴와 B-physics

알려진 모든 기본입자들 (쿼크와 랩톤)은 네가지 종류의 힘을 받아 상호작용을 한다는 것이 알려져있다. 지구와 우리를 묶어놓는 중력과 핵을 묶어놓는 힘인 강한핵력 그리고 방사성 현상을 통해 그 정체를 드러낸 약한 핵력과 "20세기 문명을 가능하게 한 힘"인 전자기력이 그것이다.

그런데 이 네가지중 중력을 제외한 어떤 힘도 받지 않는 물질이 있을 수 있을까?

이론적으로 생각했을 때 이런 물질은 핵력과 전자기 힘에 대해 어떠한 "전하 (quantum number, charge)"도 띄지 않는 입자로 나타낼 수 있는데 실제로 우리 우주를 이루고 있는 대부분의 물질이 암흑물질이라는 것을 생각해보면 이런 '새로운 물질'의 존재는 어쩌면 당연하다고도 볼 수 있겠다. 이런 물질은 게이지 양자장 이론 (quantum gauge field theory)에서 "한 짝 스칼라장 (gauge singlet scalar field)"의 양자(quanta, particle)로 나타낼 수 있다.

그렇다면 이러한 물질의 존재는 어떻게 알아낼 수 있을까? 바로 이 문제에 대한 부분적인 해답을 제시하려는 것이 내일 arXiv에 발표될 새 논문의 주제다. 공동연구자는 IPMU를 두달간 방문하셨던 연세대 김충선 교수님, Zhejiang 대학교의 Zhu교수, IPMU의 Kai와 나. 그러고 보니 일본에서 이루어진 한-중 공동연구라고 볼 수도 있겠다.

이 논문에서 주목한 점은 어떠한 게이지상호작용에 대해서도 전하를 갖고 있지 않은 스칼라 입자라고 할지라도 양자장이론에 따르면 힉스 입자와의 상호작용은 일반적으로 허용된다는 것이다. 따라서 힉스입자의 성질을 자세히 알아내는 것이 무엇보다도 중요해진다는 첫번째 결론에 도달할 수 있다.

일단 힉스 입자와의 상호작용이 있다는 것을 알게되면 초기우주의 열역학적 진화를 고려하여 이 물질이 현재 우주에 어느정도 남아있을 수 있는지를 계산할 수 있는데 이로부터 이 새로운 입자가 암흑물질로 적합한지를 판단할 수 있다. 이 입자의 질량이 10 GeV가 넘고, 힉스입자와의 상호작용이 약한 상호작용과 유사한 세기라면 실제로 관측된 암흑물질량을 훌륭하게 설명할 수 있다는 것은 이미 알려져있다.

그런데 우리가 실제로 관심을 가진 영역은 이보다 훨씬 가벼워서 이 새로운 입자가 양성자 정도로 가벼운 경우였다. 그 이유는 다음과 같다. 만약 이 입자가 양성자 정도로 가볍다면 현재 일본의 KEK에서 매우 정밀하게 그 성질을 연구하고 있는 B-메존(b 쿼크를 밸런스 쿼크로 가지는 중간자)의 붕괴중에 이 입자가 튀어나올 수도 있기 때문이다!

아래는 우리가 고려한 양자진공요동 효과로 인한 B메존의 붕괴과정을 기술하는 파인만 도표들이다.

우리는 힉스입자가 가상입자로 참여하여 이루어지는 B메존 붕괴 현상중에서 이론적인 오차가 적은 s 쿼크를 포함한 하드론과 보이지 않는 입자 (주로 중성미자)로 붕괴하는 과정과 비교하여 새로운 입자가 얼마나 강하게 힉스 입자와 결합할 수 있는지에 대해 알아낼 수 있었다. 후일 보다 정밀하게 실험이 이루어지면 실제로 새로운 입자의 흔적을 발견할 수도 있다는 가능성도 볼 수 있었다. 그리고 LHC에서 힉스 입자가 발견된다면 힉스 입자가 붕괴하면서 이 새로운 입자를 직접 만들어 낼 수도 있기 때문에 이 가벼운 스칼라 입자의 존재는 어쩌면 쉽게 증명될 수도 있다.

그런데 불행히도 이 스칼라 입자는 KEK의 실험 결과를 고려했을 때 이미 암흑물질로 적합하지 않다는 결론을 얻었다. 물론 우리가 관심을 가졌던 질량 영역에 비해 훨씬 무겁다면 KEK 실험을 통해서 새로운 입자의 성질을 알아낼 수 없기 때문에 여전히 암흑물질이 될 수도 있겠지만 실험적으로 그 성질을 알아내는 것은 그만큼 어려워진다고 하겠다. 하지만 이 스칼라 입자도 양자중력 현상에 의해 빛을 내며 붕괴할 수도 있겠다.

아무튼 올해 여섯번째 논문이 나왔다. Go!