LHC 최신 데이터와 머신 러닝 활용해 이중 힉스 생성률 제약 강화… 힉스 보손의 자기상호작용 규명에 진전
- 유럽입자물리연구소(CERN)의 대형강입자가속기(LHC) 연구진은 두 개의 힉스 보손*이 동시에 생성되는 희귀 현상인 ‘이중 힉스(double-Higgs) 생성’을 탐색하고 있음
* 다른 기본입자들이 질량을 갖게 되는 원리를 설명하는 데 핵심적인 입자
- 최근 열린 2026년 국제고에너지물리학회(ICHEP 2026)에서 CERN의 ATLAS와 CMS 국제공동연구팀은 이중 힉스 보손의 생성률에 대한 새로운 제약조건을 제시함
- 이는 아직 직접 관측되지 않은 힉스 보손의 자기상호작용(self-interaction)을 이해하는 데 중요한 단서를 제공함
힉스 보손의 자기상호작용 규명
- 2012년 LHC에서 힉스 보손이 발견된 이후 연구진은 입자에 질량이 부여되는 원리를 규명하기 위해 힉스 보손과 다른 입자의 상호작용을 연구해 왔음
- 그러나 힉스 보손이 다른 힉스 보손과 상호 작용하는 현상은 아직 관측되지 않았으며, 이를 규명하면 표준모형을 정밀하게 검증하고 우주 진공의 안정성을 이해하는 데 기여할 수 있게 됨
- 이중 힉스 생성은 표준모형에 따르면 LHC 충돌에서 단일 힉스 약 1,500개당 한 쌍만 생성될 정도로 매우 희귀해 직접 관측이 쉽지 않음
바닥쿼크와 타우 입자로 붕괴하는 흔적 추적
- ATLAS와 CMS 연구팀은 이중 힉스 보손 자체를 직접 관측하는 대신, 생성된 두 힉스 보손이 다른 입자로 붕괴하면서 남기는 흔적을 탐색함
- 연구진은 두 힉스가 각각 바닥쿼크(bottom quark) 쌍과 타우 입자 쌍으로 붕괴하는 유망한 경로를 집중 분석함
- 기존 LHC 데이터에 최근 Run 3 데이터와 새로운 머신러닝 기법을 적용해 이중 힉스 신호 탐색 정밀도를 높이는 방법을 이용함
- 그 결과 이중 힉스 생성과 일치하는 사건이 증가했으나 데이터가 부족해 관측을 확정할 수준에는 이르지 못했으며, 대신 이중 힉스 생성률에 대해 기존보다 엄격한 제약조건을 설정하는 데는 성공함
ATLAS, 이중 힉스 생성 가능성 시사하는 2.6시그마 신호
- ATLAS는 이중 힉스가 없다고 가정한 예상치보다 2.6σ 높은 신호를 확인했으나, 관측을 확정할 통계적 유의성에는 미치지 못함
- CMS 연구팀은 별도의 분석을 통해 현재 표준모형이 예측하는 값의 4배를 초과하는 이중 힉스 생성률을 배제함
- 두 연구팀은 또한 힉스 보손 간 상호작용 강도를 나타내는 힉스 자기결합(Higgs self-coupling) 매개변수*의 범위를 기존보다 좁히는 데 성공함
* 힉스 보손끼리 얼마나 강하게 상호 작용하는지를 나타내며 힉스 메커니즘을 이해하는 핵심 요소
고휘도 LHC로 직접 관측 가능성 높인다
- 이번 결과는 Run 2·3 전체 데이터와 다양한 힉스 붕괴 경로를 종합하면 이중 힉스 생성에 대한 보다 명확한 검증이 가능할 것으로 보임
- 향후 고휘도 대형강입자가속기(HL-LHC)는 현재보다 약 6배 많은 데이터를 확보해 이중 힉스 직접 관측과 힉스 자기상호작용 규명에 기여할 것으로 기대됨
