2025년 봄, 제네바의 대형 하드론 충돌기(LHC)에서 CMS 실험팀은 톱 쿼크와 그 반입자의 단명하는 결합 상태인 토포늄을 획기적으로 관찰했습니다. 이 발견은 톱 쿼크의 빠른 붕괴로 인해 거의 불가능할 것으로 여겨졌습니다. CMS 협력팀은 느리게 움직이는 톱 쿼크-반쿼크 쌍의 과잉을 확인하여 발견을 주장하기 위한 기준인 5 시그마를 초과하는 유의성을 달성했습니다. ATLAS 실험은 7.7 시그마의 신호로 이 발견을 확인했습니다.
토포늄의 측정된 생성율은 약 9.0 ± 1.3 피코바른(pico barn, pb)으로, 준결합 상태에 대한 이론적 예측과 일치합니다. 쿼크와 그 반입자의 결합 상태를 포함하는 쿼크로늄은 차르모늄(charmonium)과 바텀오늄(bottomonium)과 같은 다른 형태로 관찰되었지만, 톱 쿼크의 빠른 붕괴는 역사적으로 이러한 관찰을 방해해왔습니다.
관찰된 효과를 토포늄으로 해석하는 것은 양자 색역학 모델링에 의해 뒷받침되며, 약 8.8 pb의 단면적 비율을 가진 준스칼라 ^1S₀ 상태를 제안합니다. 그러나 새로운 스칼라 보존 상태와 같은 대안적 설명도 여전히 가능성이 있습니다. 관찰된 신호의 본질을 명확히 하기 위해 스핀 상관관계 및 산란 과정에 대한 추가 분석이 필요합니다.
토포늄 상태의 존재를 확인하는 것은 강한 상호작용에 대한 우리의 이해를 크게 향상시키고 쿼크로늄 가족을 완성할 것입니다. 고휘도 LHC(High-Luminosity-LHC)나 FCC-ee와 같은 시설에서의 향후 연구는 힉스 결합 및 톱 쿼크 질량 결정에 대한 새로운 경로를 탐색할 수 있습니다.
CMS와 ATLAS의 결합된 발견은 입자 물리학에서 중요한 순간을 나타내며, 토포늄 개념을 이론적 호기심에서 측정 가능한 현실로 전환합니다. 만약 검증된다면, 이 발견은 강한 힘의 모델링과 표준 모델의 가장 복잡한 측면에 깊은 영향을 미칠 수 있습니다.
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