3'00" 읽기
- 양성자의 분극성을 측정하기 위해 전자 충격 가해
- 한 에너지 범위에서 곡선에 급격한 스파이크가 발생, 극성이 갑자기 증가
- 양성자에 아직 이해되지 않은 새로운 동적 메커니즘의 존재 의미
- 양성자의 이 근본적인 속성을 확실하게 설명하기 위해 개선된 이론 필요

양성자에 대한 새로운 놀라움
전자기장에 대한 핵 구성 요소의 응답이 이론에 맞지 않음

이상한 변칙:
양성자는 전자 충격에 예상과 다르게 반응한다. 에너지가 증가함에 따라 점점 더 변형되는 대신 핵 구성 요소는 특정 에너지에서 급격한 반응 피크를 보인다. 이론과 달리 이러한 편차는 물리학자들이 "Nature"에서 보고한 바와 같이 양성자에 있는 강한 핵력의 아직 인식되지 않은 하부 구조 또는 특성을 가리킬 수 있다. 어쨌든 이상 현상은 질문을 제기한다. 

▲ 양성자의 내부 생활은 지금까지 거의 연구되지 않았으며 항상 놀라움을 유발한다. © Jacek rybak/ CC-by-sa 4.0

양성자는 물질의 기본 구성 요소 중 하나이며 중성자와 함께 원자핵을 형성한다. 이러한 근본적인 중요성에도 불구하고 양성자는 여러 면에서 미스터리다. 그 크기에 대해 이견이 있으며 핵심 구성 요소의 내부 작동은 이제 막 조사되었다. 입자가 세 개의 쿼크와 이들을 연결하는 글루온으로 구성되어 있음이 분명해 보인다. 양자 변동은 또한 단명한 쌍의 쿼크와 안티쿼크를 지속적으로 생성한다. 이러한 모든 입자가 어떻게 배열되고 어떻게 상호 작용하는지에 대해서는 대체로 미해결 질문이다.

공격받는 양성자

최근 실험은 새로운 질문을 제기한다. 필라델피아에 있는 템플 대학교(Temple University)의 루오난 리(Ruonan Li)와 그의 동료들은 양성자의 분극성을 측정하기 위해 전자 충격을 가했다. 이것은 양성자의 전하와 자석 분포가 외부 전자기장에 의해 얼마나 쉽게 변형될 수 있는지를 설명한다. "양성자 내부의 쿼크는 음전하 또는 양전하를 가지므로 전기장의 영향을 받아 반대 방향으로 움직인다"고 Li가 설명했다.

이 반응에 필요한 에너지와 변화의 정도를 통해 양성자의 내부 구조에 대한 결론을 내릴 수 있다. 실험을 위해 물리학자들은 통로에 따라 다른 에너지를 가진 전자 빔으로 수소 양성자를 공격했다. 충돌 에너지에 따라 이 전자는 양성자 외부에서 튕겨 나오거나 침투하여 내부의 쿼크 및 글루온과 상호 작용한다.

발생하는 과정과 충돌과 관련된 전기장에 양성자가 얼마나 강하게 반응하는지를 콤프턴(Compton) 산란이라고 하는 것을 사용해 측정할 수 있다. 충돌은 에너지와 궤적이 양성자 내부의 "변형 가능성"을 나타내는 광자를 생성한다. 이론에 따르면 양성자는 충격에 반응해 분극도가 지속적으로 변화해야 한다.

▲ 전자와의 충돌로 생성된 가벼운 입자는 전자기 교란에 대한 양성자의 반응에 관한 정보를 제공한다. © Nikos Sparveris / Temple University

커브의 톱니

측정 데이터는 다른 것을 보여주었다. 한 에너지 범위에서 곡선에 급격한 스파이크가 발생했다. 즉, 극성이 갑자기 증가했다. “여기서 효과의 국부적 증폭이 있음을 알 수 있다. 곡선의 이 지점에서 분극성은 다시 떨어지기 전에 잠시 상승한다. 그래서 여기서 우리는 예측된 단순한 동작과 크게 다른 것을 볼 수 있다”고 Li는 보고했다.

물리학자들에 따르면, 이 국부적인 이상 현상은 양성자 내부에 하부 구조가 있음을 나타낼 수 있다. 이것은 전자기 교란에 대한 입자의 반응에 영향을 미칠 수 있다. 그러나 지금까지 인식되지 않은 강력한 핵력의 특성이 역할을 한다는 것도 생각할 수 있다. Li의 동료인 Nikos Sparveris는 "여기에 우리가 놓친 것이 분명히 있다”고 말했다.

이러한 발견에 덧붙여 이 이상 현상이 관찰된 것은 이번이 처음이 아니라는 사실이다. 이전 실험은 이미 분극성 곡선에서 이러한 피크의 첫 번째 징후를 발견했다. 그러나 그들의 측정 방법은 현재 실험보다 훨씬 덜 정확하여 결과와 관련성이 논란의 여지가 있었다.

"핵심 이론에 대한 도전“

지금의 결과는 현재 핵물리학 모델에서 다루지 않는 양성자 내부에서 어떤 일이 일어나고 있다는 의혹을 확인시켜준다. "이 측정은 양성자에 아직 이해되지 않은 새로운 동적 메커니즘의 존재를 말하며, 핵 이론에 대한 진정한 도전을 나타낸다"고 Li와 그의 동료가 말했다. 따라서 그러한 근본적인 특성의 이상은 특히 과학적 관심 대상이다.

과학자들은 이제 무엇보다도 이상 현상의 모양을 더욱 정확하게 좁히기 위해 더 많은 측정을 수행하기를 원한다. "그들의 존재는 우리가 양성자의 이 근본적인 속성을 확실하게 설명하기 위해 개선된 이론이 필요하다는 것을 강조한다"고 물리학자들은 말했다.
(nature , 2022; doi: 10.1038/s41586-022-05248-1)
출처: DOE/ Thomas Jefferson National Accelerator Facility

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]