3'30" 읽기
- 현재 이론에 따르면 양성자는 Up(업)- 그리고 Down(다운) 쿼크와 연결 글루온으로 구성
- 최근 이국적인 Charm 쿼크가 양성자에서도 발생한다는 증거 발견
- AI 시스템은 고유의 매력 쿼크를 감지
- 40년 동안 입자 및 핵물리학자들에 의해 뜨겁게 논의되어 온 핵자 구조에 대한 근본적인 질문에 대한 답

양성자에는 Charm이 있다.
Up- 과 Down-쿼크 외에도 핵심 구성요소에는 이국적인 Charm-쿼크도 포함돼 있다.

원자핵에서의 놀라움:
현재 이론에 따르면 양성자는 Up(업)- 그리고 Down(다운) 쿼크와 연결 글루온으로 구성된다. 최근 물리학자들은 이국적인 Charm 쿼크가 양성자에서도 발생한다는 증거를 발견했다. 이것은 짧은 수명의 쿼크와 반(anti)쿼크 쌍이 양자 물리학의 섭동에 의해 끊임없이 생성되기 때문에 가능하다. 참(Charm) 쿼크가 그들 중 하나라는 사실이 이제 처음으로 입증되었다. 

▲ 양성자는 위(Up) 및 아래(Down)- 쿼크뿐만 아니라 물리학자들이 이제 보여주듯이 양자 섭동의 결과로 나타나는 단기 참(Charm)-쿼크도 포함한다. © Argonne National Laboratory

양성자는 물질의 기본 구성 요소 중 하나다.
현재의 이론에 따르면, 그것은 2개의 업(Up) 쿼크와 1개의 다운(Down) 쿼크로 구성돼 있으며 글루온(강력한 핵력의 운반체 입자)으로 돼 있다. 그러나 그것이 전부는 아니다. 양성자의 양자 물리적 섭동으로 인해 다른 쿼크와 안티쿼크의 짧은 수명 쌍이 양성자에서 지속적으로 생성되지만 이들은 빠르게 서로를 상쇄한다. 이러한 휘발성 입자 쌍(Sea-Quarks)은 양성자에 추가 질량을 제공한다.

양성자에 수명이 짧은 참 쿼크가 있을까?

지금까지 어떤 쿼크가 바다(Sea)-쿼크로 발생할 수 있는지에 대해서는 논쟁이 있었다. "가상 양자 효과와 에너지 질량 모델은 가장 가벼운 쿼크와 안티쿼크(Up,Down and Strange)가 모두 양성자의 파동 함수에서 발생해야 함을 시사한다"라고 에딘버러 대학의 리챠드 볼(Richard Ball)과 NNPDF Collaboration의 그의 동료들이 설명했다. 그러나 씨(Sea)-쿼크 중 헤비쿼크의 대표자도 있었는지는 불분명하다.

▲ 왼쪽, Q = mc = 1.51 GeV(주황색)에서 고유 및 복사 성분을 모두 포함하는 4FNS PDF와 비교하여 PDFU만 사용한 순수 고유(3FNS) 결과(파란색). N3LO 매칭을 사용하여 얻은 순수 고유(3FNS) 결과도 표시(녹색). 오른쪽, 완전한 불확실성(PDFU + MHOU)이 있는 순수한 고유(3FNS) 최종 결과, PDFU는 어두운 음영 띠로 표시된다. 원래 BHPS 모델1과 더 최근의 중간자/중입자 구름 모델5의 예측도 비교를 위해 표시된다(각각 점 및 점선-곡선). (출처: 관련논문 Evidence for intrinsic charm quarks in the proton / nature / Published: 17 August 2022)

볼과 그의 팀은 "양자 색역학(QCD)의 출현 이후로 모든 유형의 무거운 쿼크는 본질적으로 양성자의 파동 함수에 나타나야 한다고 주장해 왔다"라고 말했다. 특히 참 쿼크의 경우 무시할 수 없는 고유 성분이 예측됐지만 이를 증명하기는 어려웠다.

문제는 양성자의 구성은 입자 가속기의 충돌에서 가장 잘 분석될 수 있다. 그러나 공급된 에너지로 인해 추가적인 "섭동 쿼크"가 생성되어 고유한 쿼크를 식별하기 어렵다.

▲ 지금까지는 양성자에서 수명이 짧은 쿼크-반쿼크 쌍 중에서 위쪽, 아래쪽 및 기묘(Strange)-쿼크만이 상대적으로 신뢰할 수 있는 것으로 간주되었다. © DESY

AI 시스템은 고유의 매력 쿼크를 감지한다.

NNPDF 공동 작업의 물리학자들이 이제 이 문제를 해결했다. 이는 이전의 양성자 충돌에 대한 포괄적인 글로벌 데이터 세트에 대한 AI 지원 분석으로 가능했다. 이론에 따르면 고유 참 쿼크는 충돌의 질량 중심 앞에서 감지할 수 있어야 하고 섭동 쿼크는 중심에 있어야 한다. 따라서 분석 알고리즘은 이 분포에 대한 데이터를 확인했다.

결과:
"우리는 2.5 표준 편차의 국부적 의미를 갖는 고유한 매력 쿼크를 발견했다"라고 물리학자들은 보고했다. 그러나 이것은 여전히 ​​입자 물리학의 증거로 간주되는 3 시그마 값보다 낮다.
그러나 2021년 7월 CERN 연구 센터의 LHC(Large Hadron Collider) 물리학자들은 NNPDF 데이터 세트에 아직 포함되지 않은 새로운 충돌 데이터를 발표했다. 팀이 이것을 추가했을 때 그들의 값은 3시그마 임계값에 도달했다.

▲ 현재 작업에서 Charm PDF의 결정에 사용된 4,618개의 단면으로 덮인 (x, Q) 평면의 운동학적 적용 범위. 이러한 단면은 글로벌 분석에 들어가는 주요 프로세스 유형으로 분류되었다. (출처: 관련논문)

40년 만에 마침내 입증

따라서 Ball과 그의 동료들은 양성자가 실제로는 적어도 Sea쿼크의 단기 구성 요소로서 매력 쿼크를 포함한다는 사실을 처음으로 입증했다. 그들의 데이터는 또한 양성자의 총 운동량에서 참 쿼크의 몫이라는 면에서 180년대의 이론적 예측과 비교적 잘 일치한다. 전체 양성자 운동량의 1% 미만이 단기 참 쿼크로 추적될 수 있다.

"따라서 우리의 결과는 40년 동안 입자 및 핵물리학자들에 의해 뜨겁게 논의되어 온 핵자 구조에 대한 근본적인 질문에 대한 답이다"라고 물리학자들은 말한다. 따라서 이국적이고 무거운 참 쿼크는 양성자의 단명한 쿼크-반쿼크 쌍의 바다에서도 나타난다. 이 발견은 원자핵뿐만 아니라 입자 충돌에서도 양성자의 구조와 거동을 더 잘 이해하기 위해 중요하다.
(nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-04998-2)
출처: nature

[더사이언스플러스=문광주 기자] "Green Soul, Beautiful Science"

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]