LHCb의 두 이상 신호가 표준모형을 같은 방향으로 흔들고 있어요

2026년 5월 27일 5 min read Multiple sources

LHCb가 같은 종류의 균열을 자꾸 발견하고 있어요. CERN의 b-쿼크 물리 실험에서 나온 두 개의 측정 결과 — 하나는 올봄 Physical Review Letters에 게재가 확정됐고, 다른 하나는 지난주 CERN 세미나에서 발표됐어요 — 모두 표준모형과 어긋나는데, 심지어 어긋나는 방향까지 같아요. 둘 다 발견의 기준인 5σ에는 아직 못 미치는 수준이에요. 그래도 이 그림을 그냥 손사래로 떨어내기는 점점 힘들어지고 있어요.

CERN LHC 터널 내부 모습. 양성자 빔을 휘게 하는 파란색 쌍극자 자석들이 늘어서 있어요. — 출처: The Conversation

두 측정이 정확히 어떤 말을 하고 있나요

첫 번째 결과는 전약 펭귄 붕괴(electroweak penguin decay) — B 중간자가 카온 하나, 파이온 하나, 그리고 뮤온 두 개로 붕괴하는 희귀한 과정 — 에 관한 거예요. LHCb는 2011년부터 2018년까지 기록된 약 6,500억 개의 B 중간자 붕괴를 추려서, 이 채널의 각도 분포와 분기비를 측정했어요. 결과는 표준모형 예측과 4 표준편차 어긋났고, Physical Review Letters에 게재가 확정됐어요. 풀어 말하면, 표준모형이 옳다면 이 정도로 어긋난 데이터가 우연히 나올 확률이 약 16,000분의 1이라는 뜻이에요. 같은 가속기에 있는 자매 실험 CMS도 작년에 같은 채널에서 비슷한 방향으로 끌리는 결과를 봤어요. 통계적 유의성은 더 낮았지만요.

두 번째 결과는 5월 19일 CERN 세미나에서 메릴랜드 대학교의 Emily Jiang이 발표한 것으로, 다른 채널을 봐요. Bc+ → J/ψ τν vs Bc+ → J/ψ μν예요. R(J/ψ) — 무거운 타우 렙톤이 최종 상태에 나타나는 빈도를 가벼운 뮤온과의 비율로 본 값 — 의 표준모형 예측은 0.2597 ± 0.0027예요. LHCb의 Run 2 측정값은 0.51 ± 0.12 (stat) ± 0.08 (syst), 예측보다 약 1.8σ 높게 나왔어요. 이전 LHCb·CMS 측정들과 합친 세계 평균값은 R(J/ψ) = 0.54 ± 0.12로, 예측보다 2.4σ 위에 있어요.

CMS, LHCb Run 1, LHCb Run 2, 그리고 세계 평균 R(J/ψ) 측정값을 정리한 HFLAV 도표. 모두 표준모형 예측값인 0.26보다 위쪽에 몰려 있어요. — 출처: LHCb Outreach (CERN)

두 결과를 같이 봐야 흥미로워요

펭귄 붕괴의 긴장감은 가상의 양자 루프가 일으키는 과정에 있어요. 반면 R(J/ψ)는 3세대 타우 렙톤이 등장하는 트리 레벨(tree-level) 붕괴고요. 둘은 서로 다른 물리, 서로 다른 이론 도구로 다루는 영역이에요. 그런데도 둘 다 — 어떤 것이 3세대 쿼크와 렙톤에 표준모형이 허용하는 것보다 더 세게 결합하고 있다는 — 같은 방향으로 데이터를 끌고 있어요.

이 패턴은 오랫동안 자리 잡고 있는 R(D)·R(D*) 이상 신호에서도 이미 보였어요. 두 측정을 합치면 예측보다 3.8σ 위에 있거든요. 표준모형은 세 세대의 렙톤을 질량 빼고는 모두 똑같이 다뤄요. 그런데 실제 데이터에서 3세대가 다르게 행동한다면, 모형이 미완성이라는 뜻이에요.

가장 유력한 설명 후보는 렙토쿼크(leptoquark) — 쿼크와 렙톤을 직접 결합시키는 가상의 입자 — 와 표준모형의 단일 힉스를 넘어서는 **하전 힉스 보존(charged Higgs)**이에요. 둘 다 데이터가 암시하는 정확히 그 세대 의존 효과를 만들어 낼 수 있어요. 다만 둘 다 어떤 충돌기에서도 직접 생성된 적은 없어요.

표준모형의 W 보존 과정과, 같은 B 중간자 붕괴를 매개하는 두 가지 새로운 물리 시나리오 — 하전 힉스와 렙토쿼크 — 를 비교한 파인만 다이어그램. — 출처: LHCb Outreach (CERN)

왜 중요한가요

표준모형은 지난 50년 동안 균열이라 불린 모든 신호를 어깨 한 번 으쓱하고 흘려보냈어요. 한 차례의 B-물리 이상 신호들도 데이터가 쌓이면서 조용히 무뎌졌고요. 가장 강한 반론은 사실 이 역사 그 자체예요. 4σ는 5σ가 아니고, R(J/ψ)의 2.4σ는 이전에 사라진 효과들의 통상 범위 안에 있거든요.

이번이 다른 점은 곧 들어올 데이터의 양이에요. LHCb는 PRL 논문에 쓰인 전체 샘플의 세 배가 넘는 B 중간자를 2018년 이후 이미 기록했고, 2030년대 HL-LHC 업그레이드 이후로는 그것보다도 약 15배 더 많은 데이터를 모을 거예요. 데이터가 쌓이면 긴장이 사라지거나, 둘 중 하나가 5σ를 넘어요. 또 한 번 10년을 끌면서 모호하게 남는 선택지는 없어요.

앞으로 지켜볼 것

다음 분기점은 LHCb가 2026–2027년에 내놓을 B0 → K0 μ+μ− 채널의 Run 3 전체 데이터 재분석이에요. 중심값이 그대로이고 데이터만 더 커진다면, 그 분석만으로도 유의성이 5σ를 넘게 돼요. Belle II가 독립적으로 R(D)·R(D) 측정을 업데이트하는 시점도 비슷해요. 두 실험 모두에서 오차가 줄고 중심값이 유지된다면, 질문은 "새로운 물리가 있는가"에서 "그게 뭔가"로 바뀌어요.

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