125GeV 의질량을갖는새로운입자의발견 CMS 실험, CERN 2012 년 7 월 4 일요약 : 오늘열린유럽핵입자물리연구소 (CERN) 의연합세미나와호주멜버른의 ICHEP 2012 학술대회 [1] 에서대형강입자충돌기 (LHC) 의 Compact Muon Solenoid

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1 125GeV 의질량을갖는새로운입자의발견 CMS 실험, CERN 2012 년 7 월 4 일요약 : 오늘열린유럽핵입자물리연구소 (CERN) 의연합세미나와호주멜버른의 ICHEP 2012 학술대회 [1] 에서대형강입자충돌기 (LHC) 의 Compact Muon Solenoid (CMS) 실험팀의연구자들은 2012 년 6 월까지얻어진데이터를바탕으로표준모형 (SM) 힉스입자탐색에대한그들의예비결과를발표하였습니다. CMS 는 125GeV[2] 의질량대에서예상되는배경사건의양보다 5 배이상의표준편차 (5 시그마 )[3] 를벗어난통계적의미를갖는잉여사건들을관측했습니다. 배경사건만으로통계적인요동에의해이정도또는그이상의특별한일이나타나는것은 3 백만번에 1 번정도의희박한일입니다. 이관측의증거는질량정밀도가높은두개의사건형태에서가장두드러지게나타납니다. 그첫번째는두개의광자를포함한것이고두번째는두쌍의하전경입자 ( 전자또는뮤온 ) 로이루어진사건형태입니다. 우리는이를지금까지관측되지않은약 125GeV 의질량을가진새로운입자의생성때문이라고해석합니다. CMS 는또한 95% 의신뢰도로 GeV 그리고 GeV 영역에서는표준모형의힉스입자가존재할수없음을발표하였습니다 [4]. 이보다더작은질량대는이미같은신뢰도로 CERN 의 LEP 실험을통해배제된바있습니다. 통계적그리고실험적오차를고려하여다양한채널들의분석을통해얻어진결과는표준모형의힉스입자와부합하는결과를보입니다. 하지만이번에발견된입자의성질이모든면에서표준모형의힉스입자와같은지, 아니면다른점들이있어표준모형을넘어서는새로운물리학이존재함을의미하는지를판단하기위해서는더많은데이터분석이필요합니다. LHC 는현재놀라운속도로새로운데이터를만들어내고있습니다. CMS 는 2012 년말이되면현재데이터의세배이상의데이터가모일것으로기대하고있습니다. 이렇게되면 CMS 는이번에새롭게관측된입자의본질을더자세히알수있을것입니다. 더나아가 CMS 는미지의새로운물리학을찾아새로운입자탐색의영역을넓힐수있을것입니다. CMS 의탐색방법 CMS 는 2011 년수집된데이터와 2012 년 6 월 18 일까지모인 2012 년도양성자-양성자충돌데이터샘플을모두분석하였다 년도데이터는 7 TeV 의질량중심에너지를갖고총휘도 [5] 는 5.1 fb -1 에해당하고, 2012 년도데이터는 8TeV 로 5.3 fb -1 에해당한다. 표준모형에따르면힉스입자는아주짧은시간동안만존재할수있고, 곧바로다른입자들로붕괴해버린다. 붕괴형태에따라 CMS 는 5 개의사건형태를주요채널로분석했다. 이중 3 개의채널은 γγ, ZZ 또는 WW 등보존입자의쌍으로붕괴한것이고, 나머지 2 개의채널은 bb 또는 ττ 의페르미온입자쌍으로붕괴한것이다. 여기서 γ 는광자, Z 와 W 는약한상호작용을매개하는입자이고, b 는 bottom 쿼크그리고 τ 는타우경입자를나타낸다. γγ, ZZ 및 WW 채널들은 125GeV 영역의힉스입자탐색에있어서로비슷한정도의효율을가지고있고, bb 또는 ττ 채널들보다는더좋은효율을보인다. γγ 와 ZZ 채널은새로운입자의정밀한질량측정을가능하게하여특별히중요한채널이다. γγ 채널의질량은 CMS 크리스탈전자기열량계 (ECAL, 그림 1) 에나타나는두개의광자의에너지와방향으로부터얻어진다. ZZ 채널의경우에는각각의 Z 입자가두개의전자쌍또는두개의뮤온쌍으로붕괴하거나, 한개의전자쌍과다른한개의뮤온쌍으로붕괴하는경우로부터질량을결정할수있다 ( 그림 2). 이들최종입자들은 ECAL 과내부트랙검출기, 그리고뮤온검출기로측정된다. 1

2 그림 년도 CMS 검출기에기록된질량중심에너지 8 TeV 의양성자 - 양성자충돌사건의 예. 표준모형의힉스입자가두개의광자 ( 노란점선과녹색막대기 ) 로붕괴되는특징을잘 보여주고있다. 이사건은물론표준모형의다른배경사건과정으로부터도나타날수있다. 그림 년도 CMS 검출기에기록된질량중심에너지 8 TeV 의양성자-양성자충돌사건의예. 표준모형의힉스입자가두개의 Z 보존을만들고이들이각각두개의전자 ( 녹색선과녹색막대기 ) 와두개의뮤온입자 ( 적색선 ) 로붕괴되는특징을잘보여주고있다. 이사건은물론표준모형의다른배경사건과정으로부터도나타날수있다. 2

3 WW 채널은조금더복잡하다. 이경우각각의 W 입자는전자와중성미자또는뮤온입자와중성미자로붕괴되는것으로확인한다. 그러나중성미자는 CMS 검출기에의해검출되지않고그대로빠져나가기때문에표준모형의힉스입자가 WW 채널로붕괴할경우특정질량값에서잉여사건이집중되어관측되지않고, 넓은질량영역대에서골고루잉여사건이관측되게된다. bb 채널의경우는표준모형내에서도비슷한사건형태를갖는배경사건이많아분석이쉽지않고, 그래서힉스입자가전자나뮤온등으로붕괴하는 W 또는 Z 보존이같이생성된경우로한정해탐색한다. ττ 채널은전자, 뮤온, 또는강입자로붕괴되는 τ 입자를측정하여분석한다. CMS 탐색결과의정리 CMS 의데이터샘플은표준모형의힉스입자가존재하지않을경우 95% 의신뢰도로 GeV 질량영역에서그존재를완전히배제할수있을정도로충분하다. 현재 CMS 데이터는힉스입자가두개의큰질량영역인 GeV 와 GeV 영역에는 95% 의신뢰도로존재하지않음을보여주고있다. 한편 GeV 영역은우리가분석한 5 개의채널중 3 개의채널에서과도한잉여사건이관측됨으로써배제될수없었다. 이들은각각아래와같다. 1. γγ 채널 : 그림 3 은두개의광자가갖는질량분포를보여주고있다. 125GeV 영역에서 4.1 시그마의잉여사건이보여진다. 최종입자가두개의광자로나타나는것은생성된새로운입자가페르미온이아닌보존임을나타내고, 동시에그입자의스핀이 1 이아님을말해준다. 2. ZZ 채널 : 그림 4 에서는 4 개의경입자로부터재구성된질량분포를보여주고있다 ( 두개의전자쌍또는두개의뮤온쌍, 또는한개의전자쌍과다른한개의뮤온쌍 ). 입자들의붕괴각특성까지고려하여 125GeV 영역에서배경사건과비교하여 3.2 시그마의통계적의미를갖는잉여사건이관측되고있다. 3. WW 채널 : 넓은질량영역에서 1.5 시그마정도의통계적의미를갖는잉여사건이관측되고있다. 4. bb 와 ττ 채널 : 현단계에서는잉여사건이관측되고있지않다. 그림 년도와 2012 년도의데이터로부터얻은두개의광자 (γγ) 의불변질량분포 ( 검은점과오차영역 ). 데이터값은각각의신호대비노이즈의양으로가중치가주어진다. 적색실선은배경사건을포함한데이터의최적화결과이다. 적색점선은배경사건만을나타낸다. 그림 4. 4e, 4μ, 또는 2e-2μ 채널의질량분포. 검은점은데이터를나타내고색이칠해진막대그래프는배경사건을그리고적색선으로나타나는막대그래프는최적화된신호를나타낸다. 7TeV 와 8TeV 데이터를합쳐서보여주고있다. 3

4 5 개채널을모두합하여계산하면그통계적의미는신호가배경사건보다 4.9 시그마정도초과한다 ( 그림 5). 분해능이높은두개의채널 ( 즉 γγ 와 ZZ 채널 ) 을합하여계산하면통계적의미는 5.0 시그마에이른다. 배경사건만으로통계적인요동에의해이정도또는그이상의특별한일이나타나는것은 3 백만번에 1 번정도로희박하다. 그림 5. 5 개의채널을모두고려하여배경사건만으로 CMS 가관측한 잉여사건을보일확률 ( 국소 p- 값 ) 을표준모형힉스입자의질량의함수로 나타내고있다. 검은실선이모든채널을합친국소 p 값이다. 새로이발견된입자의질량은여러채널들의상대적인생성비율에관한가정들과무관하게 /- 0.6 GeV 로결정된다. 이입자의생성률 (σ DAT ) 은표준모형힉스입자의생성률 (σ SM ) 과비교하여 σ DAT /σ SM = / 로표준모형의힉스입자에부합한다. 이번실험결과를얻기위하여검출기성능, 데이터샘플의선정, 배경사건양의결정, 다양한통계적, 시스템적오류등많은세부사항들에대한연구가신중하게진행되었다 년데이터분석결과 [6] 로이미 125GeV 대에서잉여사건을보고한바있다. 샘플선정에의해같은질량에서잉여사건을인위적으로만들어낼수있는왜곡을없애기위해, 2012 년도데이터분석은실험의모든분석과정이검증받을때까지는신호가있을관심영역을미리고려않은상태 [7] 에서수행되었다. 전분석과정에대한상호검증을위해내부적으로두개이상의독립된분석그룹을조직하여데이터분석을수행하였다. 아울러아래와같은여러중요한관측이이번결과에신뢰도를높여주고있다. 125GeV 에서의잉여사건은 7TeV 데이터샘플인 2011 년도결과와 8TeV 인 2012 년도결과에공히나타난다 ; 잉여사건은두개의고분해능채널 (γγ 와 ZZ) 에서같은질량에서나타난다 ; WW 채널에서의잉여사건은 125GeV 대의입자로부터만들어진것과잘부합된다 ; 잉여사건은광자, 전자, 뮤온, 강입자들이포함된다양한채널들에서나타난다. 오늘발표된예비결과를잘다듬어올여름내로논문에투고할예정이다. 4

5 앞으로의계획 125GeV 에서새로이관측된입자는통계적인정밀도내에서표준모형이말하고있는힉스입자에부합한다. 그러나이입자가표준모형의힉스입자인지아니면표준모형을넘어선새로운물리학이예측하는전혀새로운입자인지를판단하기위해서는이입자의다양한채널 (γγ, ZZ, WW, bb 그리고 ττ) 로의붕괴확률과이입자의스핀그리고반전성 (parity) 등을측정하여야하는데그러기위해서는더많은데이터가필요하다. 현재 LHC 가속기는매우잘작동되고있다 년말까지 CMS 실험은현재데이터의양의세배이상을확보할것으로보이며, 따라서새로이발견된입자의성질을심층연구할수있을것으로예상한다. 실제로이입자가표준모형의힉스입자라고밝혀진다면표준모형과힉스입자의성질에대한세밀한연구가이뤄질것이다. 만약이입자가표준모형의힉스입자가아니라면 CMS 는이입자를 LHC 에서만들어낼수있는새로운물리학이과연무엇인지에대하여연구하게될것이다. 어느경우든지더높은에너지와휘도를갖는빔을이용해서새로운입자및새로운자연계의힘을찾고자하는 LHC 실험은계속될것이다. CMS 에관하여 CMS 에대한자세한정보는 와 에통해서도얻을수있다. CMS 는새로운물리학을찾기위해건설된 LHC 가속기에서수행되는두개의거대실험중의하나이다. CMS 는 LHC 의고에너지양성자-양성자충돌그리고중이온충돌에서얻어지는다양한입자들과현상들을관측하기위해건설되었고, 우리의우주는무엇으로어떤힘들에의해만들어졌는가?, 모든물질의질량은어디서왔는가? 같은근원적인질문들의해답의실마리를준다. 또한 CMS 를통해잘알려진입자들의성질을최고의정밀도로측정할수있을뿐아니라예상하지못했던전혀새로운현상도발견할수있다. 이러한연구는우리의우주가어떻게돌아가는가를이해하게해줄뿐아니라과거에도그래왔듯이완전히새로운기술문명을가져다주기도한다. CMS 실험의개념단계의설계는 1992 년에시작되었다. 직경 15 미터의약 29 미터의길이를가진이 1 만 4 천톤의거대한 CMS 검출기는 16 년에걸쳐역사상가장큰국제공동연구팀에의해건설되었다. 이국제공동연구팀은전세계 41 개국의 179 개의대학과연구소에서참여한 3275 명의과학자 (1535 명의대학원생포함 ) 와 790 명의기술자로구성되어있다. 주석 [1] ICHEP 은호주멜버른에서 2012 년 7 월 4 일부터 11 일까지열리는제 36 차국제고에너지물리학술대회의약어이다. 학술결과들은 CERN 의발표자로부터그리고 ICHEP 실시간동영상으로함께발표된다. [2] 전자볼트 (ev) 는에너지의단위이다. 1 GeV 는 1,000,000,000eV (10 억전자볼트 ) 이다. 입자물리학에서는 E=mc 2 (c 는광속 ) 에의해질량의단위인 (ev/c 2 ) 과에너지의단위인 (ev) 가종종혼재되어쓰인다. 많은경우자연단위계를사용해광속을 1 로놓고질량의단위를 ev 와 GeV 로쓴다. [3] 표준편차는평균값을중심으로측정값들이얼마나떨어져분포하는가를나타낸다. 가설의검증을위해사용되는표본데이터가어느정도가설에부합하는지아니면맞지않는지를판단하는데주로사용된다. 물리학자들은표준편차를시그마의단위로표현한다. 시그마값이높을수로가정과더맞지않는것으로해석한다. 예상하지못했던발견을확신하기위해서는더큰값의시그마값을요구한다. [4] 신뢰도는표본으로부터얻어진값이기대되는값을갖게될확률을나타내는통계적인지표이다. 예를들어 95% 의신뢰도는어떤실험의결과가 95% 확률로기대범위내에들어온다는의미다. [5] [6] [7] 5