양성자에서 수수께끼 같은 비대칭

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-02-25 14:49:30
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- 안티-업-쿼크보다 안티-다운-쿼크가 더 많이 형성돼

수수께끼 같은 양성자에서 비대칭
양성자에는 쿼크와 안티 쿼크의 수명 짧은 쌍이 있으며 안티 쿼크는 여전히 수수께끼다.

핵 구성 요소의 반물질 :
양성자에서는 강력한 핵력에 의해 지속적으로 수명이 짧은 쿼크-안티 쿼크 쌍(소위 Sea-Quarks 바다 쿼크)을 생성된다. 한 실험에서 이 쿼크의 반물질 함량에 비대칭이 있음이 밝혀졌다. 연구원들이 "Nature" 저널에 보고한 것처럼 안티-업-쿼크보다 안티-다운-쿼크가 더 많이 형성된다. 왜 그런지 이유는 불분명하다. 결과는 이론을 좁히는 데 도움이 될 수 있다. 

▲ 양성자는 3개의 쿼크 뿐만 아니라 강력한 핵력에 의해 생성되는 수명이 짧은 쿼크-안티 쿼크 쌍의 전체

양성자는 중성자와 함께 원자핵을 형성하기 때문에 물질의 기본 구성 요소 중 하나다.
잘 알려진 이론에 따르면, 양성자는 강력한 핵력과 운반자 입자인 글루온에 의해 결합된 세 개의 쿼크로 구성된다. 이상한 점은 이 두 개의 업 쿼크와 하나의 다운 쿼크의 질량이 총 양성자 질량의 일부만을 구성한다는 것이다.

수명이 짧은 쿼크-안티 쿼크-쌍으로 구성된 “바다”

나머지 양성자의 질량은 어디에서 왔을까?
물리학자들은 강한 핵력이 양자 물리적 섭동(쿼크 쌍과 반물질 대응 파트)을 통해 지속적으로 수명이 짧은 입자를 생성한다고 오랫동안 의심해 왔다. 소멸성 입자 쌍의 이 "바다"(바다 쿼크)는 양성자를 형성하고 양성자에게 추가 질량을 제공하는 3개의 쿼크를 둘러싸고 있다. 

“그러나 지금까지 우리는 쿼크가 양성자에서 어떻게 행동하고 핵심 구성 요소의 특성을 어떻게 형성하는지에 대한 불완전한 지식만 가지고 있다”고 일리노이 아르곤 연구소의 폴 라이머(Paul Reimer)가 설명한다. "쿼크-안티 쿼크 쌍의 사라짐 특성 때문에 연구하기가 어렵다.“
그러나 모델에 따르면 반물질 쿼크 사이에 안티-업 및 안티-다운-쿼크가 많이 있어야 한다.

양성자 내부에서 메신저로서의 뮤온

일리노이 대학의 Urbana-Champaign의 제1저자 제이슨 도브(Jason Dove)와 라이머는 최근 특별한 실험으로 이것을 확인했다. 양성자가 고속으로 충돌하면 소멸이 발생하기 때문에 입자와 반입자가 서로 상쇄된다. 이 실종 반응 동안 에너지가 방출되고 뮤온을 포함한 추가 기본 입자가 생성된다.

이 뮤온은 양성자에 얼마나 많은 안티 쿼크가 존재했고 어떤 유형이었는지 보여준다.
Reimer의 동료 돈 기사맨(Don Geesaman)은 "이 실험을 통해 양성자 내부의 혼란스러운 역학을 자세히 살펴볼 수 있었다"고 말한다. "양성자의 본질에 대한 몇 가지 오래된 개념을 확인했다.“

안티 쿼크에서 비대칭

실험 결과 단기 쿼크 쌍의 반물질 부분에 명확한 비대칭이 있다는 것이 밝혀졌다.
분명히 수명이 짧은 쿼크-안티 쿼크 쌍은 임의의 비율로 생성되지는 않고 한 안티 쿼크 종이 우세한 방식으로 생성된다.
“뮤온 쌍의 생산은 핵 구성에서 안티-업 쿼크보다 더 많은 안티-다운 쿼크가 생성된다는 것을 의미한다"고 연구원은 보고했다.

이 비대칭은 광범위한 양성자 에너지에서 분명했다.
이것은 처음에 양성자의 다양한 반물질 입자의 비율이 양성자의 특정 에너지에서 반전된 것처럼 보였던 초기 실험의 결과와 모순된다.
"대신에, 우리는 이 비대칭이 일정하게 유지되고 안티 쿼크 비율의 반전이 없음을 보여주고 있다"고 Reimer는 말했다.
▲ 양성자는 3개의 쿼크로 구성돼 있다. 그러나 실제에 대한 지나치게 단순화된 그림이다. © Jacek rybak / CC-by-sa 4.0

설명할 수 없는 원인

이 비대칭이 존재하는 이유와 그것이 어떻게 발생하는지는 여전히 불분명하다.
바다 쿼크의 형성과 그 특성에 대한 몇 가지 이론이 있다.
그러나 지금까지 어느 것이 올바른지 결정하는 명확한 데이터가 부족하다.
"이론을 좁히기 위한 실험이 필요하다. 자연 자체가 양성자의 역학에 대한 통찰력을 제공해야한다"고 Geesaman은 설명한다.
그렇기 때문에 이론과 실험의 결합 만이 결과로 이어진다.

새로운 결과는 이제 이론을 분리하거나 뒷받침하는 데 도움이 될 수 있으며 동시에 어디에서 실험 연구를 계속할지에 대한 귀중한 정보를 알려준다.
(Nature, 2021)
출처 : DOE / Argonne National Laboratory

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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