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- 입자물리학의 표준모델에 따르면 6개의 쿼크가 3개의 족으로 나누어 진다.
- 입자물리학자들은 쿼크 변환의 불일치에 대해 오랫동안 의구심 품어
- 쿼크 변환은 이론에 맞지 않아, 들뜬 알루미늄 핵의 전하 반경 결정위해 레이저 사용
- Al-26 이성질체의 핵전하 반경 예상보다 훨씬 커

네번째 쿼크족이 있을까요?
물리학자들이 쿼크 변환의 불일치를 조사했다.

이상한 편차:
입자물리학자들은 쿼크 변환의 불일치에 대해 오랫동안 의구심을 품어 왔다. 쿼크의 진동 속도는 표준 모델에 맞지 않는다. 이는 아직 발견되지 않은 다른 유형의 기본 입자가 존재함을 나타낼 수 있다. 이제 물리학자들은 이러한 편차에 중요한 동위원소 알루미늄-26의 매개변수를 측정하고 쿼크 전환도 확인해 매우 놀라운 결과를 얻었다. 

▲ 입자물리학의 표준모델에 따르면 6개의 서로 다른 쿼크 변종이 존재한다. 아니면 이전에 발견되지 않은 다른 쿼크가 있을까? © CERN

 

입자물리학의 표준모델에 따르면 6개의 쿼크가 3개의 족으로 나누어진다. 첫 번째 족은 원자핵의 양성자와 중성자를 구성하는 Up-Quarks와 Down-Quarks로 구성된다. 나머지 두 족에는 Charm-쿼크와 Strange-쿼크, Top-and Bottom-쿼크가 따른다. 개별 쿼크의 "풍미"는 전하, 질량 및 약한 상호 작용이 다르다.

하지만 그게 전부는 아니다. 중성미자와 마찬가지로 쿼크도 그 성질을 동적으로 바꿀 수 있다. 약한 핵력의 영향으로 그들은 다른 유형의 쿼크로 변한다. 예를 들어 방사성 베타 붕괴에서 양성자의 업 쿼크가 다운 쿼크로 바뀔 때 이런 일이 발생한다. 결과적으로 양성자는 중성자가 되고 핵은 새로운 원소로 붕괴된다. 표준 모델은 각 유형의 쿼크에 대해 어떤 진동이 어떤 비율로 발생하는지 예측한다. 이는 3×3 필드로 구성된 Cabibbo-Kobayashi-Maskawa 행렬(CKM)으로 표현된다. 

▲ CKM 매트릭스는 다양한 쿼크 변환의 확률을 제공한다. 표준 모델에 따르면 각 행과 열의 합은 정확히 1이 되어야 한다. © gemeinfrei

 

쿼크 변환은 이론에 맞지 않아

이상한 점은 CKM 행렬의 모든 행과 열이 실제로 1이 되어야 한다는 것이다. 이것이 표준 모델이 지정하는 것이다. 그러나 그것은 사실이 아닌 것 같다. 이전 분석에서는 다운 쿼크, 이상한 쿼크, 바닥 쿼크를 업 쿼크로 변환하는 첫 번째 라인에 대해 1에서 크게 벗어난 결과를 제공했다. CERN의 Peter Plattner와 그의 동료들은 "아래에서 위로 전환하는 데 분명한 변화가 있으며 이는 CKM 단일성과 관련된 긴장으로 이어진다"고 말했다.

이러한 편차가 확인된다면 이는 표준 모델의 격차를 나타낼 수 있으며 더 나아가 이전에 발견되지 않은 쿼크 변종의 징후일 수도 있다. 이론적으로는 네 번째 쿼크 족이 존재할 수도 있다. 그러나 지금까지 쿼크 진동의 측정은 불일치의 원인인 교란 요인을 배제할 만큼 정확하지 않았다. 특수하고 매우 희귀한 유형의 베타 붕괴, 소위 "superallowed beta decay(초허용 베타붕괴”만이 필요한 분석을 가능하게 할 만큼 물리적으로 간단하기 때문이다.

알루미늄 동위원소 측정

이것이 Plattner와 그의 팀의 실험이 시작된 곳이다. 그들은 아래에서 위로 쿼크(Vud)까지의 진동을 이전보다 더 정확하게 측정했다. 이를 위해 그들은 두 가지 서로 다른 시스템과 방법을 사용하여 이러한 붕괴에 필요한 여기된 알루미늄 동위원소를 생성하고 측정했다. CERN 연구 센터의 ISOLDE 실험과 핀란드의 IGISOL 빔 경로에서 그들은 처음으로 알루미늄 동위원소 26Al의 핵과 들뜬 이성질체 상태를 생성했다.

그런 다음 물리학자들은 베타 붕괴 중 쿼크 전환을 측정하는 데 중요한 매개변수 중 하나인 들뜬 알루미늄 핵의 전하 반경을 결정하기 위해 레이저 분광학을 사용했다. “지금까지 26mAl 이성질체의 핵전하 반경은 외삽된 값에만 기초했을 뿐, Plattner와 그의 팀이 설명하는 것처럼 직접적으로 실험적으로 결정되지는 않았다. 이 불확실성은 쿼크 진동의 이전 측정에도 영향을 미쳤다.

▲ 일부 측정은 CERN 연구 센터의 ISOLDE 시설에서 수행되었다. © CERN

측정값은 불일치를 줄이지만 충분하지는 않다.

이제 처음으로 물리학자들은 들뜬 알루미늄-26 핵의 전하 반경을 실험적으로 결정하는 데 성공했다. 두 가지 다른 방법을 사용하여 측정한 결과 이 ​​동위원소의 반경은 3.130펨토미터였다. 흥미로운 점은 이 값이 이전에 추정된 값과 4.5 표준편차만큼 다르다는 것이다. 따라서 이 알루미늄-26 이성질체의 핵전하 반경은 예상보다 훨씬 더 크다.

이 놀라운 결과는 쿼크 변환 및 CKM 매트릭스에도 영향을 미친다. 이러한 변화는 업 및 다운 쿼크에 대해 측정된 변환 속도를 목표 값에 조금 더 가깝게 만든다. Plattner와 그의 동료들은 "이것은 표준 편차의 10분의 1 정도에 해당하는 CKM 행렬의 첫 번째 행 값을 단일성에 더 가깝게 만든다"고 보고했다. 그러나 이는 이론적으로 지정된 값인 1에서 1~2개의 표준편차 불일치를 제거하기에는 충분하지 않다.

새로운 물리학에 관한 질문은 아직 열려 있다.

CERN의 이론물리학자인 Andreas Juttner는 "표준 모델을 넘어서는 새로운 물리학을 찾는 것은 쿼크 변환 가능성에 있어서도 매우 정밀한 문제다"며 "이 결과는 가능한 모든 방법으로 모든 관련 이론 및 실험 매개 변수를 확인하는 것이 얼마나 중요한지 강조한다"고 말했다. 표준 모델을 넘어서는 입자와 힘이 있는지는 아직 발견되지 않은 쿼크 변종에 대해서도 여전히 열린 질문으로 남아 있다.

이와 관련하여 아직 해야 할 일이 많이 남아 있다. "핵 전하 반경이 아직 실험적으로 결정되지 않은 초허용 베타 방출기가 7개 더 있다"고 Plattner와 그의 팀은 보고했다. 그들은 이미 핀란드 ISIGOL 시설에서 이러한 동위원소 중 하나인 코발트-54의 가치를 측정하기 시작했다. 

(Physical Review Letters, 2023; doi: 10.1103/PhysRevLett.131.222502)
출처:CERN

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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