3'00" 읽기
- 빅뱅은 물질과 반물질을 모두 창조했다. 중간자는 이 둘 사이를 왕래
- 입자와 반입자 이미지는 비슷하지만 전하와 스핀은 반대
- CERN 연구 센터의 LHC(Large Hadron Collider)에서 LHCb 실험 데이터를 평가
- 물질과 반물질의 차이점을 더 쉽게 찾을 수 있게 해준다.

물질과 반물질 사이를 번갈아 왕래하는 입자

기본 입자는 물질의 형태 사이에서 초당 수조 번 진동한다.

물질이나 반물질에 관여하지 않는 입자가 있다. 입자는 끊임없이 성질을 바꾼다. 그 중 하나인 Bs0 중간자는 입자 가속기 LHC에서 측정한 바와 같이 초당 수조 번 진동하기까지 한다. 새로운 측정은 이러한 물질-반물질 교환의 극단적인 속도를 확인할 뿐만 아니라 표준 모델을 제한하는 데 도움이 된다. 

▲ Bs0 mesoen과 같은 일부 기본 입자는 물질과 반물질 사이를 끊임없이 앞뒤로 그리고 매우 빠르게 전환한다. © IFJ PAN

빅뱅은 물질과 반물질을 모두 창조했다.
"정상 세계"의 모든 입자에 대해 이 반대 세계에는 반입자가 있다. 둘 다 이미지와 미러 이미지 면에서 비슷하지만 전하와 스핀이 반대다. 원자와 물질의 구성요소는 정상적인 소립자로만 구성되어 있지만, 쿼크와 반쿼크를 결합한 수명이 짧은 입자도 있다. 여기에는 각 쿼크와 새로 발견된 일부 테트라쿼크의 중간자가 포함된다.

반물질과 물질 사이의 전환

이것은 훨씬 더 신비롭다.
세계를 결정할 수 없는 중간자 입자가 있다. 그 성질은 반물질과 물질 사이에서 번갈아 나타난다. 두 개의 쿼크 구성 요소 중 어느 것이 우위를 차지하느냐에 따라 전체 입자가 물질처럼 또는 반물질처럼 행동한다. 지금까지 이것은 소위 중성 중간자(neutral meson)라고 불리는 전하를 운반하지 않는 중간자에 대해서만 알려져 있다.

LHCb 협력의 Agnieszka Dziurda는 "이 중성 중간자는 물질과 반물질 형태 사이에서 진동하는 흥미로운 특성을 보여준다"고 설명했다. 중간자에 따라 달라지는 이 진동의 속도는 기본적인 물리력과 표준 모델에 대한 귀중한 정보를 제공할 수 있다. 이러한 교환 가능한 입자 중 하나는 기묘 쿼크(strange quark)와 안티-뷰티-쿼크(Anti-beauty-quark)로 구성된 Bs0 중간자다.

이 진동을 어떻게 측정할까?

문제는 중간자가 극도로 짧고 몇 초 만에 붕괴된다는 것이다.
Bs0 중간자의 경우 입자가 하전된 중간자와 파이온으로 붕괴하는 데 약 피코초(1조분의 1초)만 걸린다. 입자 가속기에서 중간자는 이 시간에 1센티미터의 거리만 커버했다. 그러나 초기 측정에서는 입자 자체가 이 짧은 시간 동안 반물질과 물질 상태 사이를 전환한다고 제시했다.

Bs0 중간자의 이러한 극도로 빠른 진동을 포착하기 위해 LHCb 공동 연구의 Dziurda와 그녀의 동료들은 중간자 자체가 아니라 붕괴 생성물을 측정했다. "양자 역학은 Bs0 중간자가 붕괴할 때 반물질 또는 물질 상태에 있었는지 여부에 따라 Bs0 중간자의 붕괴 생성물이 반드시 달라야 한다고 예측한다"며 "이를 생성 시 입자의 특성에 대한 정보와 결합하여 진동 주파수를 측정할 수 있었다"고 물리학자그 설명했다.

▲ LHC(Large Hadron Collider)의 LHCb 검출기에서 입자를 추적한다.

연구를 위해 연구팀은 CERN 연구 센터의 LHC(Large Hadron Collider)에서 LHCb 실험 데이터를 평가했다. 2015년부터 2018년까지 이 입자가속기의 중간자는 양성자가 13테라전자볼트의 에너지와 충돌할 때 생성됐다. 물리학자들은 "Bs0 중간자는 양성자 충돌에서 직접 생성되는 대부분의 다른 입자보다 훨씬 무겁다"고 설명했다. 이를 통해 붕괴 생성물의 궤적 및 기타 특성을 기반으로 식별할 수 있다.

초당 수조 번의 변경

실제로 팀은 Bs0 중간자의 매우 빠른 진동을 감지하고 주파수를 측정했다.
따라서 이것은 피코초당 17.7683번의 변화(Δms = 17.7656 ± 0.0057 ps−1)이며, 이는 초당 17조 번의 진동에 해당한다. 약 1피코초의 극히 짧은 수명 동안에도 이 중간자는 물질과 반물질 사이를 여러 번 왔다 갔다 한다.

Dziurda는 "이 측정을 통해 우리는 이 진동을 이전보다 100배 더 정확하게 결정했다."라고 말했다. 새로운 값은 이제 양자 역학 과정에 대해 보다 정확한 결론을 도출할 수 있게 하는 동시에 연구원들이 설명하는 것처럼 물질과 반물질의 차이점을 더 쉽게 찾을 수 있게 해준다. 따라서 아직 인식되지 않은 소립자 또는 프로세스를 위한 공간이 더욱 제한된다.
(Nature Physics, 2022; doi: 10.1038/s41567-021-01394-x)
출처: LHCb Collaboration, 폴란드 과학 아카데미

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]