발견 10년 후 ATLAS 실험을 통해 힉스 보존 상호 작용에 대한 상세한 지도

Nature 607권, 52~59페이지(2022)이 기사 인용

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입자 물리학의 표준 모델1,2,3,4은 중력을 제외하고 우주를 구성하는 알려진 기본 입자와 힘을 설명합니다. 표준 모델의 핵심 특징 중 하나는 모든 공간에 스며들어 기본 입자와 상호 작용하는 필드입니다5,6,7,8,9. 힉스 장(Higgs field)으로 알려진 이 장의 양자 여기는 스핀이 없는 유일한 기본 입자인 힉스 보손(Higgs boson)으로 나타납니다. 2012년 CERN10,11의 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)에서 ATLAS 및 CMS 실험을 통해 표준 모델의 힉스 보손(Higgs boson)과 일치하는 특성을 가진 입자가 관찰되었습니다. 그 이후로 ATLAS 실험을 통해 30배 이상의 힉스 보손이 기록되어 훨씬 더 정확한 측정과 이론의 새로운 테스트가 가능해졌습니다. 여기서는 이 대규모 데이터 세트를 기반으로 힉스 보존의 전례 없는 수의 생성 및 붕괴 과정을 결합하여 기본 입자와의 상호 작용을 면밀히 조사합니다. 강한 힘, 전자기력, 약한 힘의 전달자인 글루온, 광자, W 및 Z 보존과의 상호 작용을 자세히 연구합니다. 3개의 3세대 물질 입자(하단(b) 및 상단(t) 쿼크, 타우 렙톤(τ))과의 상호 작용이 잘 측정되었으며 2세대 입자(뮤온, μ)와의 상호 작용에 대한 징후가 나타나고 있습니다. 이러한 테스트는 10년 전에 발견된 힉스 보존이 이론의 예측과 현저하게 일치하고 표준 모델을 넘어서는 새로운 현상의 많은 모델에 엄격한 제약을 제공한다는 것을 보여줍니다.

입자 물리학의 표준 모델은 공식화 이후 많은 실험을 통해 테스트되었으며1,2,3,4 중성미자 질량을 고려한 후 지금까지 실험적 관찰과 예측 사이에 불일치가 확립되지 않았습니다. 표준 모델의 핵심 특징은 우주에 스며들어 거대한 기본 입자에 질량을 부여하는 스핀 없는 양자장이 존재한다는 것입니다. 이 필드와 관련 입자인 힉스 보존의 존재와 특성을 테스트하는 것은 수십 년 동안 입자 물리학의 주요 목표 중 하나였습니다. 표준 모델에서 힉스 보손과 주어진 입자 사이의 상호 작용 또는 '결합'의 강도는 입자의 질량과 유형에 의해 완전히 정의됩니다. 질량이 없는 표준 모델 힘 매개체인 광자와 글루온에 대한 직접적인 결합은 없는 반면, 이론에서는 거대 입자에 대한 세 가지 유형의 결합이 있습니다. 첫 번째는 힉스 보존과 약력의 매개체인 W 및 Z 벡터 보존의 '게이지' 결합입니다. 게이지 커플링의 존재를 입증하는 것은 자발적인 전자기약 대칭 파괴 메커니즘5,6,7,8,9에 대한 필수 테스트입니다. 두 번째 유형의 결합에는 또 다른 기본적인 상호작용인 유카와 상호작용(힉스 보존과 물질 입자 또는 페르미온 사이)이 포함됩니다. 세 번째 유형의 결합은 힉스 보손 자체의 '자가 결합'입니다. 이론의 핵심 예측은 결합이 입자 질량에 따라 확장되고 일단 모든 입자 질량이 알려지면 모두 정확하게 예측된다는 것입니다. 따라서 각 개별 입자에 대한 힉스 보존의 결합에 대한 실험적 결정은 표준 모델에 대한 중요하고 독립적인 테스트를 제공합니다. 또한 일반적으로 결합 값의 다양한 패턴을 예측하는 표준 모델 이상의 이론에 대한 엄격한 제약 조건을 제공합니다.

2012년 CERN의 LHC(Large Hadron Collider)14에서 수행된 ATLAS12 및 CMS13 실험에서는 표준 모델10,11의 힉스 보존에 대해 예측된 특성과 일치하는 특성을 가진 새로운 입자가 발견되었다고 발표했습니다. 2011년부터 2012년까지 LHC에서 첫 번째 데이터 수집 기간 동안 얻은 모든 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용한 보다 정확한 측정(실행 1)에서는 알려진 다른 모든 기본 입자와 달리 발견된 입자의 특성이 입자는 스핀이 없다는 가설과 일치했습니다. 대체 스핀-1 및 스핀-2 가설도 테스트되었으며 높은 수준의 신뢰도에서 제외되었습니다. 새로운 입자의 전하 활용 및 패리티(CP) 특성에 대한 조사도 수행되어 표준 모델에서 예측한 CP-짝수 양자 상태와의 일관성을 입증하는 동시에 비표준 모델 CP-짝수 또는 CP의 작은 혼합을 허용합니다. -이상한 상태15,16. 입자의 수명에 대한 한계는 자연 너비15,16,17,18,19의 간접적인 측정을 통해 얻어졌습니다. 또한, 새로운 입자와 다른 기본 입자의 상호 작용에 대한 보다 정확한 측정이 달성되었습니다20. 이러한 모든 조사 결과는 그 특성이 표준 모델인 힉스 보존의 특성과 호환된다는 것을 보여주었습니다. 그러나 이러한 초기 측정과 관련된 통계적 불확실성으로 인해 표준 모델을 넘어서는 새로운 현상의 관점에서 데이터를 해석할 수 있는 상당한 여지가 있었고 표준 모델에 대한 많은 예측은 테스트되지 않았습니다.