LHCb의 100억 분의 1 붕괴: 42년 탐색 끝에 B⁰→μμ 첫 증거 발견

2026년 11월 3일, CERN 세미나에서 LHCb 협력단은 입자물리학자들이 1980년대 초부터 추적해 온 것을 발표했다. 단일 실험으로는 처음으로, 중성 B 중간자가 두 개의 뮤온으로 붕괴한다는 증거를 찾았다는 것이다. B⁰→μμ로 표기되는 이 과정은 표준모형에 따르면 이러한 입자 100억 개당 약 한 번만 일어난다. 42년의 탐색 끝에 신호는 마침내 잡음 위로 떠올랐다. 3.2 표준편차로, "증거"라 부르기에는 충분하지만 "발견"이라 부르기에는 아직 부족하다.

이 구분이 중요하며, 그것이 이야기의 전부이다. 입자물리학에서 3시그마는 "증거"이고, 5시그마는 "발견"이다. 3.2시그마 결과는 데이터의 봉우리가 통계적 요동일 확률이 약 1,500분의 1이라는 뜻이다. 강한 단서이지만, 단서가 사라진 적은 이전에도 있었고, CERN 강연장에 있던 모든 사람이 그것을 안다. 이번이 다른 이유는 그 뒤에 있는 기계 때문이다. 2024년부터 가동 중인 업그레이드된 LHCb 검출기는 이전보다 최대 5배 빠른 속도로 데이터를 수집하고 있으며, 이번 분석은 2024~2025년의 새 데이터와 2011~2018년에 기록된 모든 데이터를 결합해, 기계학습 기법과 입자 식별 방법으로 수십억 번의 충돌 속에서 소수의 진짜 붕괴를 골라냈다.

이 결과는 두 번째 측정도 날카롭게 했다. B⁰ 신호와 함께, LHCb는 2015년에 처음 관측된 자매 붕괴 B_s→μμ에 대해 지금까지 가장 정밀한 측정값과 그 수명을 내놓았다. 두 측정 모두 표준모형과 일치하는데, 이는 역설적으로 안심이 되면서도 약간 실망스럽다. 이러한 희귀 붕괴가 소중히 여겨지는 이유는 바로 새로운 물리학이 가장 먼저 나타날 장소이기 때문이다. 극히 짧은 거리에서 작용하는 미지의 입자나 힘이 존재한다면 붕괴율은 표준모형의 예측에서 벗어날 것이다. 지금까지 규칙서는 버티고 있지만, 검증은 이제 어떤 실험도 도달한 적 없는 영역으로 들어섰다.

분석의 일부를 이끌고 핵심 검출기 기술을 구축한 버밍엄의 물리학자들은 이 결과를 "젭토버스(Zeptoverse)"를 들여다보는 창이라고 표현한다. 1미터의 10억분의 1의 1조분의 1 정도 되는 거리로, 아직 발견되지 않은 입자와 힘이 숨어 있을 수 있는 세계이다. 이 표현은 이 결과가 무엇인지에 대해 정직하다. 표준모형의 균열이 아니라, 균열이 나타난다면 그곳에 나타날 곳을 향한 새로운 관측 수단이다. B 중간자는 약 1조분의 1.5초 동안 존재하며, 그 찰나에 다른 어떤 탐침도 도달할 수 없는 에너지와 거리에서의 물리학을 샘플링한다. 100억 번의 붕괴를 지켜보고 그중 두 개의 뮤온으로 가는 소수를 세는 것은 과학에서 가장 정밀한 "영(零) 검증" 중 하나이며, 계속 통과하는 영 검증 자체가 정보다. 다른 붕괴율을 예측했던 이론 군 전체를 배제해 주기 때문이다.

이제 문제는 증거에서 발견으로 넘어가는 데 얼마나 걸리느냐이다. 유의성은 대략 수집된 데이터량의 제곱근에 비례해 커지므로, 3.2시그마에서 5시그마로 가려면 유효 신호가 약 2.5배 더 필요하다. 업그레이드된 검출기의 능력으로 볼 때 향후 몇 년 안에 거둘 수 있는 수확이지만, 보장된 것은 아니다. 분석 기법의 개선, 검출기 성능, 그리고 다음 데이터가 어떻게 요동칠지 하는 운도 작용하기 때문이다. 그것이 이 글과 함께 내가 내놓는 예측이다. B⁰→μμ는 2028년 말까지 5시그마 발견 기준에 도달할 것이다. 그렇게 된다면 LHC에서 관측된 가장 희귀한 붕괴는 자연의 확인된 사실이 된다. 만약 사라진다면 그것도 유익한 정보다. 이 분야에서는 돌파구와 요동 사이의 경계가 바람이 아니라 측정으로 그어진다는 것을 상기시켜 주기 때문이다.