물리학자들은 전례 없는 정확도로 톱 쿼크의 질량을 측정했습니다.

LHC(Large Hadron Collider)의 CMS 협력은 알려진 가장 무거운 소립자인 실제 또는 탑 쿼크(t-quark)의 질량을 가장 정확하게 측정했습니다. 최신 CMS 결과는 상위 쿼크 질량을 약 0.22%의 정확도로 추정합니다. 다양한 측정 오류를 순차적으로 동시에 처리할 수 있는 새로운 분석 방법과 개선된 절차를 통해 정확도가 크게 향상되었습니다.

톱 쿼크의 질량에 대한 정확한 지식은 가장 작은 규모로 세상을 이해하는 데 가장 중요합니다. 이 가장 무거운 소립자의 정확한 질량을 아는 것은 표준 모델이라고 하는 모든 소립자의 수학적 설명의 내부 일관성을 확인할 수 있기 때문에 결정적으로 중요합니다.

예를 들어 W 보손과 힉스 보손의 질량을 정확히 안다면 탑 쿼크의 질량은 표준모형으로 예측할 수 있다. 유사하게, 톱 쿼크와 힉스 보존의 질량을 사용하여 W 보존의 질량을 예측할 수 있습니다.

흥미롭게도, 상당한 발전에도 불구하고, 양자 물리 보정의 효과와 관련된 이론 물리학의 질량 정의는 여전히 톱 쿼크에 대해 결정하기 어렵습니다.

그리고 놀랍게도, 우리 우주의 안정성에 대한 우리의 지식은 힉스 입자와 톱 쿼크 질량에 대한 공동 지식에 달려 있습니다. 우리는 우주가 탑 쿼크 질량의 현대 측정 정확도로 준안정 상태에 매우 가깝다는 것만 알고 있습니다.

톱 쿼크의 질량이 조금이라도 다르다면 우주는 장기적으로 덜 안정적일 것이고 결국 빅뱅과 같은 재앙적인 사건에서 잠재적으로 사라질 것입니다.

2016년 CMS 검출기로 수집한 LHC proton-proton 충돌 데이터를 이용하여 탑 쿼크 질량을 최종적으로 측정하기 위해 CMS 팀은 충돌 사건의 세 가지 속성이 아닌 한 쌍의 탑 쿼크가 생성되는 다섯 가지 속성을 측정했다. 이전 분석에서 측정한 것입니다. 이러한 속성은 탑 쿼크의 질량에 따라 달라집니다.

또한 과학자들은 CMS 데이터의 매우 정확한 보정을 수행하고 나머지 실험 및 이론적 불확실성과 상호 의존성에 대한 깊은 이해를 얻었습니다.

이 혁신적인 방법을 통해 이러한 모든 불확실성은 최종 탑 쿼크 질량을 결정하는 수학적 피팅 중에도 추출되었으며, 이는 일부 불확실성을 훨씬 더 정확하게 추정할 수 있음을 의미했습니다.

171.77 ± 0.38 GeV의 결과는 이전 측정 및 표준 모델의 예측과 일치합니다.

CMS 협력은 탑 쿼크의 질량을 측정하는 이 새로운 방법으로 상당한 진전을 이루었습니다. 불확실성의 고급 통계 처리와 더 많은 속성의 사용으로 측정이 크게 향상되었습니다.

2017년과 2018년에 CMS 검출기에 의해 기록된 더 큰 데이터 세트에 새로운 접근 방식이 적용될 때 또 다른 큰 진전이 예상됩니다.

작가: Vitalii Babkin