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- 대형 강입자 가속기(LHC)에서 발생한 130억 건 이상의 납 핵 충돌 데이터를 분석
- 빠른 쿼크는 초유체 쿼크-글루온 플라스마에 흔적을 남긴다.

초기 우주 수프는 실제로 "액체" 상태였다.
빠른 쿼크는 초유체 쿼크-글루온 플라스마에 흔적을 남긴다.

쿼크-글루온 플라스마의 파동:
대형 강입자 가속기(LHC) 실험에 따르면, 우주 초기 상태는 입자들이 마찰 없이 쉴 새 없이 움직이는 상태가 아니라 액체와 같은 상태였다. 이 실험은 쿼크-글루온 플라스마를 빠르게 통과하는 쿼크들이 속도가 느려지면서 플라스마에 흔적을 남긴다는 것을 보여준다. 이는 빅뱅 직후, 아주 짧은 순간 동안 초기 우주 수프가 매우 밀도가 높아서 이러한 기본 입자들이 에너지를 잃지 않고는 그 안에서 움직일 수 없었음을 시사한다. 

▲ 빅뱅 이후 상상할 수 없을 정도로 뜨겁고 밀도가 높은 우주의 플라스마 속을 쿼크들이 질주할 때, 그들이 남긴 흔적이 실험적으로 처음으로 입증되었다. © Jose-Luis Olivares/MIT

빅뱅 직후 아주 짧은 순간, 우주는 수조 도에 달하는 고온에 극도로 밀도가 높았다. 우주는 쿼크-글루온 플라스마, 즉 훗날 물질의 기본 구성 요소가 될 입자들의 초유체 혼합물로 이루어져 있었다. 이 "원시 우주 수프"의 본질은 오늘날 입자 가속기에서의 고에너지 충돌 실험을 통해서만 이해할 수 있다. 금이나 납 핵이 충돌하면 아주 작은 쿼크-글루온 플라스마 방울이 순간적으로 생성된다.

하지만 쿼크-글루온 플라스마의 초유체성이 어디까지 확장되었는지는 여전히 논란의 여지가 있다. 개별 쿼크가 에너지를 잃거나 흔적을 남기지 않고 이 "원시 수프"를 빠르게 통과할 수 있었을까? 쿼크-글루온 플라스마 모델들은 이 점에 대해 서로 다른 의견을 제시한다. 매사추세츠 공과대학(MIT)과 CERN의 CMS 협력단 소속 공동 저자인 옌지에 리(Yen-Jie Lee)는 "플라스마가 쿼크에 반응했을지에 대한 논쟁은 우리 분야에서 오랫동안 이어져 왔다"라고 말했다.

흔적 찾기

이 질문에 답하기 위해 물리학자들은 대형 강입자 가속기(LHC)에서 발생한 130억 건 이상의 납 핵 충돌 데이터를 분석했다. 그들은 특히 쿼크-글루온 플라스마에서 특정 입자 충돌을 찾고자 했다. "이 쿼크와 글루온의 혼합체 속에서 충돌은 반복적으로 발생하며, 운이 좋으면 그중 하나에서 쿼크와 Z 보손이 생성된다"고 리는 설명했다.

이러한 드문 충돌은 매우 흥미로운데, 그 이유는 약력의 중성 매개 입자인 Z 보손이 다른 입자들과 상호작용하지 않기 때문이다. Z 보손은 충돌 지점에서 빠르게 멀어지면서 아무런 흔적도 남기지 않는다. 동시에 생성된 쿼크는 반대 방향으로 빠르게 이동한다. 만약 이 쿼크가 주변 플라스마에 의해 속도가 줄어들고 난류를 발생시킨다면, 이는 CMS 검출기에서 감지되어 쿼크에 의한 것으로 간주될 수 있다. "이 방법을 통해 우리는 처음으로 쿼크-글루온 플라스마에서 단일 쿼크의 영향을 연구할 수 있게 되었다"고 리는 말했다.

▲ 납 핵의 충돌로 생성된 쿼크-글루온 플라스마: 자유 쿼크는 빨강, 파랑, 초록으로, 손상되지 않은 양성자와 중성자는 흰색으로 표시되어 있다. © CERN/ Henning Weber

난류와 에너지 손실

물리학자들은 실제로 그들이 찾던 것을 발견했다. CMS 검출기 데이터에서 쿼크와 Z 보손이 생성된 약 2천 개의 충돌을 확인했다. 이러한 사건들의 에너지 흔적을 분석한 결과, 쿼크-글루온 플라스마는 Z 보손 쪽에서는 비교적 안정적이었지만, 고속으로 움직이는 쿼크 쪽에서는 그렇지 않았다. 난류와 파동과 같은 현상이 관찰되었다.

이는 쿼크-글루온 플라스마가 초유체 상태이며 본질적으로 내부 마찰이 없지만, 입자가 그 안에 흔적을 남긴다는 것을 시사한다. 쿼크가 쿼크-글루온 플라스마를 고속으로 통과할 때 에너지를 잃고 파동을 생성하는데, 이는 이 특이한 상태에 대한 소위 하이브리드 모델에서 예측한 바와 일치한다. 물리학자들은 "이는 쿼크-글루온 플라스마의 에너지 손실과 반응에 대한 최초의 증거"라고 밝혔다.

"쿼크-글루온 플라스마는 진정한 원시 수프였다“

이 결과는 우주의 원시 플라스마가 초유체 상태임에도 불구하고 고속 입자에 반응했다는 것을 증명한다. "이번 실험을 통해 쿼크-글루온 플라스마에 대한 새로운 통찰력을 얻었다. 이 플라스마는 놀라울 정도로 밀도가 높아서 쿼크의 속도를 늦출 수 있다. 이는 액체에서처럼 물보라와 소용돌이를 만들어낸다"고 리는 말했다. "따라서 쿼크-글루온 플라스마는 진정한 의미의 원시 수프였다.“

쿼크-글루온 플라스마의 혼합 모델을 개발한 MIT의 이론 물리학자 크리슈나 라자고팔(Krishna Rajagopal)에게 이번 결과는 중요한 확인이다. "수년 동안 우리는 이 주장을 펼쳐왔고, 수많은 실험을 통해 이를 입증하려 했다"고 라자고팔(Rajagopal)은 말했다. 이제 처음으로 실험적 증거가 확보되었다.

참고: Physics Letters B, 2026; doi: 10.1016/j.physletb.2025.140120
출처: 매사추세츠 공과대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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