기초과학

베이징 분광계III 에서 중입자(바리온)의 붕괴를 측정

발행일 : 2016 / 03 / 01

Λc는 가장 가벼운 참 바리온(매력적인 바리온, Charmed baryon)을 함유하고 있으며 단순 쿼크 모형(Naive Quark Model)에서 3개의 쿼크, 즉 하나의 무거운 참 쿼크(charmed quark)(c)와 2개의 가벼운 쿼크(u, d)로 구성되었다. 그러나 과학자들은 Λc 내부에서 쿼크의 구체적인 분포와 대응되는 운행 메커니즘에 대해 완전히 알지 못하고 있다. 대부분의 Λc 붕괴과정에 약력(weak force)이 참여하므로 약력에 대한 연구를 통하여 약력의 상호작용 이론을 검증할 수 있으며 또한, 과학자들이 Λc 내부의 쿼크 분포를 이해하는데 도움을 줄 수 있다. 높은 들뜬 상태의 참 바리온과 바닥 쿼크(bottom quark)를 함유한 Λb 바리온은 모두 Λc로 천이하므로 Λc 붕괴 성질 연구 또한 무거운 바리온(Heavy flavor baryon) 분광학 및 붕괴 성질을 한층 더 이해하는데 유리하다.

베이징(北京) 전자-양전자 충돌기II에서 연구팀의 노력을 거쳐 2014년 베이징 분광계III 실험은 4.599 GeV의 질량 중심계 에너지에서 567 pb−1 의 전자 양전자 소멸 데이터를 축적하는데 성공하였다. 해당 에너지 점은 Λc+Λc− 보다 질량 역치가 26 MeV 정도 높았으며 베이징 전자 양전자 충돌기II의 최고 에너지인 4.2 GeV 보다 훨씬 높았다. 해당 에너지에서 Λc+ 와 Λc− 쌍을 생성하였으며 이외의 그 어떤 강입자도 동반 생성하지 않았다. 베이징 분광기III 실험은 해당 데이터 샘플을 기반으로, 전체 재구성 Λc+Λc− 쌍의 이중 표지 기술을 이용하여 Λc의 바리온 붕괴 분기비(branching ratio)를 측정하였다.

해당 측정 방법은 Λc+Λc−쌍생성 단면 혹은 붕괴 모델을 형성하는 가설에 의존하지 않을 뿐만 아니라 데이터 통합 광도 등 입력 정보를 필요로 하지 않는 장점으로 하여 과학자들은 이를 절대 분기비 측정이라 부른다. 베이징 분광기III 실험은 Λc의 12개 주요한 강입자 붕괴 채널을 연합 분석하였으며 전체적 접합을 통하여 정확도를 높였고 Λc+ → pK−π+ 의 분기비가 B( Λc+→pK−π+ )=(5.84±0.27±0.23)%라는 것을 측정했다. 이 결과는 Λc가 발견되고 30년 사이에 세계 최초로 역치에서 정확히 측정한 Λc+→pK−π+의 절대 분기비이다.

또한, 2015년 베이징 분광기III 실험은 해당 역치 데이터를 기초로 중성미자 질량 손실 방법으로 세계 최초로 반렙토 붕괴 Λc+→Λe+ve의 절대 분기비를 측정하였으며 측정 결과의 정확도가 크게 개선되었다. 이번 실험 측정은 참 쿼크 강입자의 붕괴 수명을 이해하는데 중요한 의미가 있다.