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- 미국 입자 가속기에서 금 핵이 충돌할 때 입자 거동의 놀라운 불일치를 발견
- 상대론적 중이온 충돌기(RHIC)에서 무거운 금 코어가 빛의 속도의 99.9%로 가속되어 충돌
- 쿼크와 글루온은 매우 짧은 시간 동안 결합에서 벗어나 쿼크-글루온 플라스마를 형성
- 편차가 파이 중간자에서만 발생하지만 파이 중간자에서는 발생하지 않는 이유를 설명
- 다른 중간자 확인 예정

강력한 핵력의 신비
중간자의 스핀 선호도는 강한 상호작용의 인식할 수 없는 효과를 나타낸다.

예상치 못한 불일치:
물리학자들은 미국 입자 가속기에서 금 핵이 충돌할 때 입자 거동의 놀라운 불일치를 발견했다. 이는 기묘 쿼크와 기묘 반쿼크로 구성된 입자인 파이 중간자가 생성되어 특정 스핀 방향에 대해 상당한 선호도를 보였기 때문이다. "Nature"에 발표한 연구원들에 따르면 이것은 기존의 메커니즘으로 설명할 수 없다. 그들은 강한 상호작용의 국지적 변동을 원인으로 의심한다. 

▲ 물리학자들은 특정 중간자의 스핀 방향에서 불일치를 관찰했다. 이것은 강력한 핵력의 아직 인식되지 않은 효과를 가리킬 수 있다. © Brookhaven 국립 연구소

강한 상호작용은 아마도 모든 기본 힘 중에서 가장 근본적인 힘일 것이다. 모든 원자핵의 구성 요소인 양성자와 중성자에서 쿼크를 함께 고정하는 "접착제"이기 때문이다. 글루온은 다른 힘과 달리 인력 효과가 거리에 따라 약해지지 않는 힘 입자 역할을 한다. 대신 고무줄처럼 밴드가 "부러질" 때까지 장력이 증가한다. 그런 다음 방출된 에너지는 쿼크와 ​​반쿼크로 구성된 입자인 중간자를 생성한다.

그러나 이러한 강한 상호작용의 기본이 오랫동안 알려져 왔다고 해도 많은 세부 사항에서 이 기본 힘은 여전히 ​​수수께끼다. 예를 들어, 양성자는 전자에 의해 충격을 받았을 때 현재 모델에 따라 다르게 행동해야 한다. 또한 수명이 짧은 반쿼크 내부에는 설명할 수 없는 비대칭이 있다. 그리고 극한의 압력하에서 중성자에 있는 강한 핵력은 인력이 아니라 반발하는 것처럼 보인다.

금 핵, 쿼크-글루온 플라즈마 및 스핀

미국 Brookhaven National Laboratory의 STAR 협력 물리학자들은 이제 또 다른 놀라운 사실을 발견했다. 상대론적 중이온 충돌기(RHIC)에서 무거운 금 코어가 빛의 속도의 99.9%로 가속되어 충돌했다. 쿼크와 글루온은 매우 짧은 시간 동안 결합에서 벗어나 쿼크-글루온 플라스마를 형성했다. 무엇보다도 이것은 강한 핵력의 효과에 대한 정보를 제공할 수 있는 행동인 중간자를 방출한다.

현재 실험에서 물리학자들은 쿼크-글루온 플라즈마를 회전 운동으로 설정하기 위해 금 핵의 약간 편심한 충돌을 사용했다. 이것은 강한 핵력에 의해 형성되는 정의된 방식으로 생성된 중간자의 스핀에 영향을 미친다. 이에 따르면 기묘 쿼크와 기묘 반쿼크의 파이 중간자는 세 가지 가능한 스핀 방향을 모두 같은 비율로 가져야 한다. 다운 쿼크와 기묘 반쿼크의 K*0 중간자도 마찬가지다.

▲ 입자 가속기에서 금 핵의 충돌은 물리학자가 강한 상호 작용의 거동을 연구하는 데 사용하는 쿼크-글루온 플라즈마를 생성한다. © Brookhaven 국립 연구소

파이 중간자의 상당한 편차

입자 가속기의 데이터는 K*0 중간자에 대해서도 이를 확인했지만 Phi 중간자는 그렇지 않았다. 이것은 3개의 스핀 방향의 세 번째 분할에서 분명한 편차를 보여주었고, 이 이상 현상의 유의성은 7.4 시그마였다. "어쨌든 자연은 파이 중간자가 스핀 상태 중 하나를 선호한다고 결정한 것 같다”고 STAR 협력 연구원 중 한 명인 Xu Sun은 보고했다.

파이 중간자의 스핀 방향에서 이러한 불균형은 모든 현재 모델 및 메커니즘과 모순된다. 물리학자들이 설명하는 것처럼 전기장이나 자기장과 같은 외부 영향도 이러한 편차를 설명할 수 없다. 이것이 그들이 결과를 여러 번 확인하고 가능한 오류 원인을 분석한 이유 중 하나다. Brookhaven National Laboratory의 Aihong Tang은 "그러나 우리의 결과는 이러한 정밀 조사를 통과했으며 수치가 합산되지 않았다"고 말했다.

강한 핵력의 변동을 원인으로?

그 이유는 무엇일까? 물리학자 팀은 강력한 상호작용이 설명이라고 가정한다: "강한 핵력의 변동이 누락된 요인일 수 있다." 이것은 또한 편차가 파이 중간자에서만 발생하지만 파이 중간자에서는 발생하지 않는 이유를 설명할 수 있다. K*0 중간자가 발생했다. 파이 중간자에는 두 개의 이상한 쿼크(일반 쿼크와 반쿼크)가 포함되어 있기 때문에 이러한 변동에 유사하게 반응한다. 이것은 스핀 방향에 영향을 미칠 정도로 효과를 증폭시킨다.

▲ 파이 중간자는 포지티브 및 네거티브 카온(K+, K-)으로 붕괴한다. 그들의 비율과 궤적은 파이 중간자의 회전 방향에 대한 정보를 제공한다. © Brookhaven 국립 연구소

K*0 중간자의 경우, 이들의 쿼크와 반쿼크는 서로 다른 계열에 속하며 다운 쿼크와 이상한 반쿼크를 포함한다. “이 혼합물에서 강한 핵력의 영향은 다른 방향으로 진행된다. 따라서 파이 중간자의 경우만큼 편차가 명확하지 않다.

다른 중간자 확인 예정

이 설명이 맞다면 이 효과는 같은 유형의 쿼크에서 나온 다른 중간자에서도 나타나야 한다. 따라서 STAR 협력의 물리학자들은 올해 말 이전에 J/psi 중간자(사이온)에서 이것을 테스트할 계획이다. 이 입자는 참 쿼크와 참 반쿼크로 구성되어 있으므로 스핀 방향의 1/3 분포에서 측정 가능한 편차를 보여야 한다.
Tang은 "이러한 측정은 강한 핵력의 국지적 변동이 얼마나 강한지 추정할 수 있는 방법이다. 그들은 우리에게 새로운 관점에서 강한 상호작용을 연구할 수 있는 방법을 제공한다"고 말했다.
(Nature, 2023; doi: 10.1038) /s41586-022-05557-5)
출처: DOE/ Brookhaven National Laboratory

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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