중성자와 양성자를 함께 붙잡는 대신 동종의 핵 구성입자 사이에서 작용, 중성자 사이에 반발을 일으킨다. "Nature"저널, 처음으로 입증된 강력한 핵력의 변형은 중성자 별이 붕괴되지 않는 이유를 설명할 수 있다.

물리학 자들을 놀라게하는 강력한 핵력
새로운 발견, 극한의 압력에서 강한 핵력은 본질을 바꾼다.

놀라운 변화 :

극한의 압력하에서 강력한 핵력은 그 본질을 바꾸는 것으로 실험 결과 밝혀졌다.
중성자와 양성자를 함께 붙잡는 대신 동종의 핵 구성입자 사이에서 작용해 중성자 사이에 반발을 일으킨다. 연구진이 "Nature"저널에 보고한 바와 같이, 처음으로 입증된 강력한 핵력의 변형은 무엇보다도 중성자 별이 붕괴되지 않는 이유를 설명할 수 있다.

▲ Image by Gerd Altmann from Pixabay

강한 핵력은 물리의 네 가지 기본 힘 중 하나다.
힘 입자인 글루온을 통해 양성자와 중성자 내부의 쿼크를 결합하고 원자핵의 핵심 구성 요소를 함께 유지한다. 실험은 또한 강한 핵력이 반물질에 영향을 미치며, 자유 중성자 또는 양자와는 다른 원자핵 내부에서 약간 다른 쿼크와 글루온의 하부 구조를 생성 할 수 있음을 보여준다.

그러나 한 가지 의문의 여지가 남아 있다.
중성자별에서 볼 수 있는 것과 같은 극한 상황에서 강한 핵력은 어떻게 작용할까?
이 극도로 조밀한 별들의 잔해에서, 핵심 주성분은 그들 사이의 거리가 정상보다 작고 심지어 부분적으로 겹치도록 압축된다. 매사추세츠 공과 대학(MIT)의 오르 헨(Or Hen)은 “이것은 매우 짧은 거리에서 강한 원자력에 어떤 일이 일어나는지에 대한 첫 번째 모습이다.”고 설명한다.

▲ 물리학 연구와 암 치료에 널리 사용되는 선형 가속기의 작동을 보여주는 애니메이션. Author: Chetvorno. wikimedia.org/wiki/File:Linear_accelerator_animation

전자 가속기를 이용 고밀도로 발사

문제 : 중성자별만큼 원자핵을 압축하는 것은 실험적으로 어렵다. "이러한 실험을 수행하려면 매우 밀도가 높은 입자 흐름을 가진 입자 가속기가 필요하다."라고 Hen은 설명한다.
이것을 미국의 Jefferson National Laboratory에 있는 CLAS 전자 가속기로 수행했다.전자는 다른 탄소, 알루미늄 및 철 동위 원소의 표적에서 고밀도로 발사되었다.

수십 조 횟수의 원자핵과 전자 충돌 중에서 핵을 만나게 되고 충돌 에너지가 한 쌍의 핵 구성성분을 가속시키는 것이 있었다. Hen는 이러한 고에너지 쌍을 "중성자별 방울"과 비교한다. 연구원들은 그들의 특성을 통해 핵 구성입자 사이의 거리와 강한 핵력의 효과에 대한 결론을 이끌어 낼 수 있었다.

▲ 선형입자가속기 Image by Macedo_Media from Pixabay

당기는 힘에서 반발력으로

결과 : 핵 구성입자 사이의 정상적인 거리에서 강한 핵력은 주로 하나의 중성자와 하나의 양성자의 쌍을 형성한다. 그러나 거리가 짧아지면 변화가 있다. 이제 핵력은 연구원들이 보고한 것과 같은 핵 구성입자인 중성자-중성자 또는 양성자-양성자로부터 쌍이 형성되게 한다.
그러나 동시에 핵력은 이러한 짝짓기(페어링)에 반발 효과를 일으킨다. 충돌로 인해 구성입자들이 거리를 유지하려고 한다.

MIT의 수석 저자 악셀 슈미트(Axel Schmidt)는 “강력한 핵력의 반발력 성분에 대한 아이디어는 오랫동안 거의 신비로운 가능성으로 논의돼왔다. 그러나 그 전에 강한 핵력의 반발적인면은 실험적으로 입증될 수 없었다. 슈미트는 “이제야 우리는 이 변화를 우리에게 보여줄 수있는 데이터만 가지고 있다”고 말했다.

중성자별의 새로운 모습

이 강한 핵력의 새로운 측면을 발견한 것은 입자물리와 핵물리학에 흥미로울 뿐만 아니라 또한 중성자별 내부 물질의 성질에 대한 새로운 통찰력을 제공할 수도 있다.
"지금까지 이 시스템은 너무 조밀하여 쿼크와 글루온으로 만든 수프로 간주 될 수 있다고 가정했다."라고 Hen은 설명한다. 엄청난 압력하에서, 구성성분 입자들은 해산되고 물질은 빅뱅 직후 우주에서 우세한 상태를 가정한다.

"그러나 우리는 양성자와 중성자가 가장 높은 밀도에서도 그들의 정체성을 유지하고 쿼크로 가득 찬 자루가 되지 않는다는 것을 발견했다"고 Hen은 말했다.
중성자별의 핵은 이전에 생각했던 것보다 훨씬 간단 할 수 있다. 이러한 극한 상황에서 효과적인 핵력의 반발 측면은 중성자가 최소 거리를 유지하고 중성자별이 자체 중력하에서 붕괴되지 않도록 보장 할 수 있다.

참고 : Nature, 2020; doi: 10.1038/s41586-020-2021-6
Massachusetts Institute of Technology, DOE/Thomas Jefferson National Accelerator Facility

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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