물리학자들은 CERN의 대형 강입자 충돌기에서 양성자의 무거운 사촌을 발견했습니다.

이는 업그레이드된 LHCb 검출기를 사용한 최초의 입자 발견입니다. 이번 업그레이드는 20개국 1,000명 이상의 연구원이 참여하는 대규모 국제 노력의 일환입니다. 영국은 맨체스터가 상당한 리더십을 발휘하면서 다른 어떤 국가보다 더 많은 기여를 했습니다.

양성자의 더 무거운 친척

새로 발견된 Ξ_참조⁺는 1917~1919년에 맨체스터에서 어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford)와 동료들에 의해 처음 확인된 양성자와 같은 족에 속합니다. 양성자는 업 쿼크 2개와 다운 쿼크 1개를 포함하고 있지만, Ξ_참조⁺ 업 쿼크를 더 무거운 매력 쿼크로 대체합니다.

이 발견은 또한 맨체스터에서의 입자물리학 연구의 오랜 역사를 바탕으로 합니다. 1950년대에 이 대학의 과학자들은 Ξ(Xi) 입자 계열의 구성원을 최초로 식별하여 이와 같은 발견의 토대를 마련했습니다.

LHCb 검출기 업그레이드에서 맨체스터의 역할

본교 물리천문학부 학과장인 크리스 파크스(Chris Parkes) 교수는 업그레이드된 LHCb 검출기의 설치 및 초기 작동 과정에서 국제 협력을 주도했습니다. 그는 또한 10년 넘게 프로젝트에 대한 영국의 참여를 감독하면서 초기 승인부터 완료까지 지도했습니다.

맨체스터 LHCb 팀은 대학의 슈스터 빌딩에 조립된 실리콘 픽셀 감지기 모듈을 포함하여 업그레이드된 추적 시스템의 필수 부품을 설계하고 구축했습니다. 이러한 구성 요소는 입자 붕괴를 정확하게 추적하고 Ξ와 같은 신호를 식별하는 데 중요합니다._참조⁺.

Parkes 교수는 이렇게 말했습니다. “맨체스터 지하실에서 진행된 러더퍼드의 금박 실험은 물질에 대한 우리의 이해를 변화시켰으며, 오늘의 발견은 CERN의 최첨단 기술을 사용하여 그 유산을 기반으로 합니다. 두 이정표는 호기심에 기반한 연구가 우리를 얼마나 멀리까지 데려갈 수 있는지를 보여줍니다. 이 발견은 업그레이드된 LHCb 검출기의 놀라운 능력과 실험에 대한 영국과 맨체스터의 기여의 강점을 보여줍니다.”

고급 감지기로 입자 충돌을 포착합니다.

맨체스터 대학의 Stefano De Capua 박사가 실리콘 검출기 모듈 생산을 주도했습니다. 그는 탐지기가 고속 카메라처럼 작동한다고 설명했습니다.

“검출기는 LHC에서 생성된 입자를 이미지화하고 초당 4천만 번 사진을 찍는 ‘카메라’의 한 형태입니다. 이는 의료 영상 응용 분야에 사용할 수 있는 변형이 있는 맞춤 설계된 실리콘 칩을 활용합니다.”

어떻게 엑스_참조⁺ 입자가 확인되었습니다

연구원들은 Ξ를 발견했습니다._참조⁺ 그것이 어떻게 세 개의 더 가벼운 입자(Λ)로 붕괴되는지 관찰함으로써_기음⁺ K⁻ π⁺). 이러한 붕괴 사건은 업그레이드된 LHCb 실험이 최대 용량으로 실행된 첫해인 2024년 LHC에서 양성자-양성자 충돌 중에 기록되었습니다.

약 915개의 이벤트에 대한 명확한 신호가 3619.97 MeV/c의 질량에서 측정되었습니다.². 이 결과는 이전에 발견된 관련 입자인 Ξ를 기반으로 한 예측과 일치합니다._참조⁺⁺.

입자 물리학의 20년 미스터리 풀기

20년 이상 동안 과학자들은 이 입자가 관찰되었다는 주장에 대해 논쟁을 벌였지만 그러한 발견은 결코 확인되지 않았습니다. LHCb의 새로운 측정은 이전 주장과 일치하지 않지만 파트너 입자를 기반으로 한 이론적 기대와 일치하는 질량에 입자를 배치합니다.

CERN과 맨체스터의 다음 단계

앞으로 맨체스터 대학교는 LHCb 업그레이드 2로 알려진 LHC 프로그램의 다음 단계에서 계속 주도적인 역할을 할 것입니다. 이 업그레이드는 고광도 LHC 가속기를 활용하여 더 많은 데이터를 수집하고 희귀 입자를 더 자세히 탐색할 것입니다.

Ξ의 세부 사항_참조⁺ 발견은 Rencontres de Moriond Electroweak 컨퍼런스에서 발표되었습니다.