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- 글루온은 양성자와 중성자를 결합시키는 강한 핵력을 매개하는 입자
- 광자나 다른 기본 힘의 매개 입자와는 달리, 글루온은 상호작용할 수 있다.
- 글루볼의 발견은 강한 상호작용을 설명하는 양자색역학 이론을 입증하는 중요한 증거
- 글루볼을 구성하는 개별 글루온의 색전하가 서로 상쇄되어야 함을 의미
- 붕괴 경로에 대한 증거를 찾지 못했다! 그래서 입자물리학의 쾌거

물리학자들이 불가사의한 "글루볼(Glueballs)를 발견했다.

 

50년 넘게 기다려온 발견? 물리학자들이 마침내 오랫동안 예측되어 온 글루볼(gluon)이라는 구조를 발견했을지도 모른다. 글루볼은 강한 핵력의 매개 입자인 글루온으로 이루어져 있다. 다른 힘 전달 입자와 달리 글루온은 서로 상호작용하여 입자를 형성할 수 있다. 따라서 글루볼의 발견은 입자물리학의 근본적인 예측을 확인하는 중요한 사건이 될 것이다. 

▲ 물리학자들이 50년 넘게 예측되어 온 글루온으로 이루어진 '글루볼'이라는 입자를 발견했을지도 모른다.

글루온은 물질의 가장 작은 구성 요소인 양성자와 중성자를 결합시키는 강한 핵력을 매개하는 입자다. 글루온은 양성자와 중성자를 구성하는 쿼크들을 결합시켜 원자핵 질량의 일부를 형성한다. 강한 핵력은 쿼크와 글루온을 매개하는 색전하*(맛)에 의해 조절된다.
*색전하(color  charge)는  양자색역학(QCD)에서  강한  상호작용을  일으키는  원천이  되는  물리량. 색전하의  명칭은  빛의  삼원색에서  빌려온  것이며, 실제  눈으로  보는  색깔과는  무관한  추상적  성질이다.

글루온으로만 이루어진 입자가 존재할까?

글루온은 또 다른 특별한 특징을 가지고 있다. 광자나 다른 기본 힘의 매개 입자와는 달리, 글루온은 상호작용할 수 있다. 베이징 전자 양전자 충돌기(BEPC)의 BESIII 협력단 물리학자들은 "양자색역학(QCD)은 글루온 간의 자기 상호작용을 예측하며, 이는 글루온이 결합된 상태, 즉 '글루볼'을 형성할 수 있게 한다"고 설명했다.

만약 글루온으로만 구성된 이러한 글루볼이 존재한다면, 입자 세계에서 유일무이한 존재가 될 것이다. 물리학자들의 설명처럼 기본 힘의 매개체, 즉 게이지 보손으로만 구성된 입자는 글루볼 외에는 없기 때문이다. 동시에 글루볼의 발견은 강한 상호작용을 설명하는 양자색역학 이론을 입증하는 중요한 증거가 될 것이다. 따라서 물리학자들은 수십 년 동안 이러한 "글루볼"을 찾기 위해 집중적으로 연구해 왔다.

X(2370)이라는 입자에 주목

BESIII 협력단의 물리학자들이 글루볼의 존재를 시사하는 가장 확실한 증거를 발견했을지도 모른다. 2011년에 처음 관측된 X(2370)이라는 입자가 그 후보로 거론되고 있다. 이 입자는 베이징의 BEPC 가속기에서 양전자와 전자의 충돌 과정에서 발견되었다. J/ψ 중간자는 참 쿼크와 그 반물질인 반참 쿼크로 이루어진 입자인데, 이 중간자가 붕괴할 때 생성된다. 물리학자들은 "J/ψ 중간자의 붕괴는 글루볼을 찾기에 이상적인 조건으로 여겨진다"고 설명한다.

실제로 초기 측정 결과는 양자색역학(QCD) 예측과 매우 유사한 결과를 보였다. 연구팀은 "X(2370)의 질량은 2.3GeV(기가전자볼트)이며, 이는 가장 가벼운 글루볼에 대한 QCD 예측과 일치한다"고 보고했다. 2024년, 연구팀은 입자의 스핀 패리티를 측정하는 데 성공했다. 0.+ 값은 이론적 예측과도 일치했다.
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▲ 베이징 전자-양전자 충돌기(BESIII)의 입자 검출기 모습. — © BESIII 협력단

X(2370)은 Flavour-Singlet* 일까?
*플레버 싱글렛(Flavour-Singlet)은 입자물리학의 강한 상호작용(양자색역학)에서 여러 종류의 쿼크 맛깔(Flavour) 조합에 대해 대칭적인 상태를 의미
하지만 이것만으로는 X(2370)의 정체를 확실히 규명하기에 충분하지 않다. 중요한 특징 하나가 아직 밝혀지지 않았기 때문이다. "글루볼의 가장 중요한 특징은 단일체 색전하다"고 물리학자들은 설명한다. 이는 글루볼을 구성하는 개별 글루온의 색전하가 서로 상쇄되어야 함을 의미한다. 이로 인해 해당 입자는 색 중립적이다.

이를 증명하기 위해 BESIII 협력 연구진은 BEPC 가속기에서 100억 건이 넘는 J/ψ 중간자 붕괴를 분석하여 특정 지표를 찾았다. 이론에 따르면 글루볼과 같은 색 중립 입자의 존재는 특정 붕괴 경로를 억제한다. 따라서 검출기에서 해당 붕괴의 흔적이 발견되지 않으면 X(2370)이 실제로 색 중립적이며, 따라서 글루볼일 가능성이 높다는 강력한 증거가 된다.

글루볼의 모든 특징

결과:
BESIII 연구팀은 "이 붕괴 경로에 대한 증거를 찾지 못했다"고 보고했다. "K*(892)K̄ 붕괴 모드의 억제는 X(2370)이 단일 맛 입자임을 시사한다." 연구진에 따르면, 이는 이전 분석 결과와 함께 가장 가벼운 글루볼이 이 입자의 주요 구성 요소라는 가정을 뒷받침한다. 물리학자들은 "다른 해석으로는 X(2370)의 특징 조합을 명확하게 설명할 수 없다"고 밝혔다.

이 특이한 입자는 50여 년 전에 예측된 글루온으로 이루어진 입자, 즉 글루볼의 존재를 뒷받침하는 가장 확실한 증거가 될 수 있다. 만약 이것이 확인된다면, 양자색역학 이론, 나아가 입자물리학의 기초 이론 중 하나를 확증하는 중요한 증거가 될 것이다.
출처: BESIII 협력단, 2026 고에너지물리학 국제학회, ArXiv 사전출판본, 2026; doi: 10.48550/arXiv.2607.20366

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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