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- 입자 분해되면 에너지가 더 낮은 글루온이 연속적으로 방출되는 입자 캐스케이드가 생성
- 약 30년 전 물리학자들, 표준 모델의 기본 방정식을 기반으로 이 글루온 비(rain)에 그림자 영역이 있어야 한다고 가정
- ALICE 탐지기에서 관찰된 입자 트랙은 참 쿼크에서 글루온이 방출되지 않은 파톤 샤워 구역을 보여줬다.

"데드 콘" 효과의 첫 번째 증거
입자 물리학의 근본적인 예측에 대한 최초의 직접적인 관찰

30년 지나서 입증됨:
물리학자들이 입자 물리학의 표준 모델에 대한 근본적인 예측인 "데드 콘(dead cone)" 효과를 처음으로 직접 관찰했다. 이에 따르면 입자 캐스케이드에서 쿼크와 글루온의 붕괴는 글루온이 방출되지 않는 "데드 존"을 만든다. 이 영역은 이제 입자가속기 LHC에서 처음으로 직접 감지됐다. 영역의 너비가 원래 쿼크의 질량을 나타내므로 직접 질량 측정이 가능해 이것 또한 중요하다. 

▲ 입자 충돌로 방출된 쿼크는 글루온의 형태로 에너지를 잃는다. 그러나 이론에 따르면 글루온의 결과 샤워에는 글루온을 감지할 수 없는 그림자 영역(데드 콘)이 있다. 물리학자들은 이제 처음으로 이 "데드 콘(dead cone)" 효과를 직접 측정했다. © CERN

강력한 핵력은 쿼크를 양성자, 중성자 및 중간자와 같은 기본 입자로 결합한다.
매개 캐리어 입자는 글루온이다. 예를 들어 양성자 충돌의 경우와 같이 입자가 분해되면 에너지가 더 낮은 글루온이 연속적으로 방출되는 입자 캐스케이드가 생성된다. 이 쿼크-글루온 캐스케이드는 파톤 샤워로도 알려져 있다.

글루온 샤워(shower)의 섀도우 존(shadow-zone)

약 30년 전 물리학자들은 표준 모델의 기본 방정식을 기반으로 이 글루온 비(rain)에 그림자 영역이 있어야 한다고 가정했다. 이른바 "데드 콘(dead cone)"이다. 이 사각지대에서 글루온 방출이 억제되어 파톤 샤워(shower)에 빈 영역을 형성한다. 이 영역의 크기는 원래 쿼크의 질량에 직접적으로 의존한다. 이것이 이론이다.

▲ 그림 1: 샤워 쿼크의 재구성. (출처: 관련논문 Direct observation of the dead-cone effect in quantum chromodynamics / nature)

그러나 지금까지 이 "데드 콘" 효과를 직접 관찰하는 것은 불가능했다.
실제로 수많은 다른 입자가 글루온이 없는 영역을 통과하므로 일반적으로 검출기 데이터에 숨겨져 있다. "데드 콘을 직접 관찰하는 것은 정말 어려운 일이다"라고 제네바(Geneva) 근처 CERN 연구 센터의 ALICE 협업 대변인인 루치아노 무사(Luciano Musa)가 말했다.

ALICE 검출기에서 글루온 검색

이제 CERN의 물리학자들이 처음으로 이 직접적인 증거를 제공하는 데 성공했다.
이것은 입자가속기 LHC의 ALICE 검출기에서 3년간의 양성자 충돌 데이터와 새로 개발된 분석 기술의 조합으로 가능했다. 이 3단계 "재클러스터링(Reclustering)"에서 물리학자들은 먼저 D0-Meson(D0 중간자)가 방출되는 충돌을 찾았다. 이 충돌은 무거운 매력 쿼크와 가벼운 안티업 쿼크로 구성된 입자이다.

그런 다음 연구원들은 특수한 알고리즘과 붕괴 생성물의 궤적 및 에너지를 사용하여 원래의 파톤 샤워가 어떻게 생겼는지 재구성했다. 이를 달성하기 위해 그들은 또한 탐지기와 그 사이를 날아다니는 다른 입자의 간섭 효과를 계산해야 했다. 이 기술을 사용해 팀은 마침내 세 가지 다른 에너지에서 충돌에 대한 글루온의 궤적을 결정할 수 있었다.

▲ "데드 콘" 효과: 그림자 영역의 너비는 쿼크의 질량과 에너지에 직접적으로 의존한다. © CERN

Dead Cone 감지 - 양자 색역학 확인

실제로 ALICE 탐지기에서 관찰된 입자 트랙은 참 쿼크에서 글루온이 방출되지 않은 파톤 샤워 구역을 보여주었다. ALICE 협력의 물리학자들은 "데이터 포인트의 억제는 참 쿼크 방출이 억제된 데드 콘(dead cone)을 드러낸다"고 보고했다. 이 억제의 크기는 이론에서 예측한 바와 같이 쿼크 에너지가 감소함에 따라 감소했다.

"처음으로 우리는 양자 색역학에 의해 예측된 데드 콘 효과를 직접 측정했다"며 "이 결과는 양자 색역학의 근본적인 특성을 확인시켜준다"라고 물리학자들이 말했다. 양자 색역학은 강한 핵력, 즉 쿼크와 글루온의 상호 작용을 설명하는 물리 이론이다. 약 30년 후, 이 이론에 의해 예측된 데드 콘 효과가 이제 처음으로 직접 관찰되었다. 지금까지 연구자들은 간접적으로만 그 존재를 추론할 수 있었다.

▲ ALICE 감지기의 핵심. 이는 설치가 중단된 동안에만 가능하다. © CERN / ALICE

쿼크 질량을 측정하는 새로운 방법

Musa와 그의 동료들은 "이 측정은 입자 제트에 대한 질량의 영향에 대한 새로운 통찰력을 제공하고 모델을 제한하는 데 도움이 된다"라고 설명했다. 그러나 이 관측은 또한 무거운 쿼크의 질량을 측정하는 새로운 방법을 제공한다. 글루온이 없는 그림자 영역의 각도는 이 질량에 직접적으로 의존하기 때문이다.

"쿼크 질량은 입자 물리학의 기본값이지만 실험에서 직접 기록 및 측정할 수 없다.라고 ALICE 코디네이터인 Andrea Dainese가 설명했다. 그는 "파튼 샤워기의 데드 콘을 직접 관찰하는 우리의 성공적인 기술은 이제 쿼크 질량의 그러한 결정을 위한 길을 연다"라고 말했다.
(Nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-04572-w)
출처: CERN

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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