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▲CMS/CERN

1 스위스 제네바 인근 유럽핵입자물리연구소(CERN)에서 운영하는 검출기 압축 뮤온 솔레노이드(CMS)의 모습. 2 CMS 안에서 W보손이 붕괴하는 모습. 충돌 사건으로 W보손이 붕괴되면서 뮤온(빨간색 선)이 만들어지고, 반대쪽으로는 감지되지 않는 중성미자(분홍색 화살표)가 만들어진다.

현지 시각 9월 17일, 유럽핵입자물리연구소(CERN)의 압축 뮤온 솔레노이드(CMS) 협력 연구팀은 표준모형의 기본 입자 중 하나인 ‘W보손’의 질량을 정밀 측정한 결과를 CERN 홈페이지에 발표했다. 연구팀은 측정 결과를 분석해 W보손의 질량이 표준모형의 기본 예측과 차이가 나지 않음을 확인했다고 밝혔다. 이로써 W보손의 질량을 둘러싼 논란은 2년 만에 가라앉는 모양새다.

W보손은 표준모형에서 예측하는 17개 기본 입자 중 ‘약력’을 매개하는 입자다. 1983년 CERN에서 처음 발견됐다. W입자의 질량을 둘러싼 논란은 2022년으로 거슬러 올라간다. 2022년 4월 7일, 미국 페르미국립가속기연구소 연구팀이 10년 동안 400만 개의 W보손 질량을 측정한 결과, W보손의 질량이 80.43GeV(기가전자볼트1GeV는 10억eV)라는 연구 결과를 국제학술지 ‘사이언스’에 발표했다. 이 결과는 표준모형이 예측하는 W보손의 질량인 80.36GeV의 오차 범위 바깥에 있는 측정값이다. 만약 측정이 맞다면 표준모형을 바꿀 수 있는 중대한 결과라는 의미였다. 그런 중요성으로 이 연구는 국제 학술지 ‘사이언스’의 표지를 장식하기도 했다.

W보손은 약력을 매개한 후 곧바로 다른 입자로 붕괴하는 특성이 있다. 이 때문에 질량 측정이 어렵다. 특히 붕괴 생성물 중에는 관측이 매우 어려운 중성미자가 있어 W보손의 질량 측정을 더 어렵게 만든다. 이번 측정에서 CMS 연구팀은 2016년 거대강입자충돌기(LHC)에서 수집한 3억 개의 충돌 이벤트와 40억 개의 시뮬레이션 이벤트 데이터를 기반으로, 1억 개가 넘는 W보손의 질량을 재구성했다. 그 결과, CMS 연구팀은 W보손의 질량을으로 측정했다. 이는 표준모형의 예측값인와 일치한다. 이에 따라 페르미국립가속기연구소 연구팀이 2022년에 내놓은 결과에 관한 재검토도 불가피해질 전망이다. 패트리샤 맥브라이드 CMS 전 대변인은 보도자료를 통해 “CMS 팀이 노력한 결과, LHC에서 가장 정확한 W보손 질량 측정이 이뤄질 수 있었다”고 밝혔다.