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- 세 개의 밸런스 쿼크는 양성자의 전체 스핀의 약 10~30%만 기여
- 여러 대규모 가속기 실험에서 양성자 스핀에 대한 글루온의 기여를 측정하려고 시도
- 문제 분석에서 격자 QCD와 실험을 결합하면 훨씬 더 많은 것을 배울 수 있다.
- 점점 더 많은 관찰 매개변수를 사용해야 할 듯

양성자 스핀은 계속해서 미스터리를 제기하고 있다.
이론적인 검토로도 모순을 제거할 수는 없었다.

양성자는 어떻게 스핀을 얻을까? 실험이 글루온의 기여에 대해 상충되는 데이터를 제공하기 때문에 이 질문은 아직 해결되지 않았다. 이제 물리학자들은 특수 시뮬레이션을 사용해 이를 다시 확인했다. 그러나 결과는 글루온의 기여가 플러스일 수도 있고 마이너스일 수도 있음을 재확인해 준다. 후자는 양성자 스핀의 가장 큰 부분이 어디서 나오는지에 대한 의문을 제기한다. 왜냐하면 쿼크도 양성자 스핀에 거의 기여하지 않기 때문이다. 

▲ 양성자의 스핀이 어떻게 발생하는지는 아직 불분명하다. 쿼크는 얼마나 기여하고 글루온은 얼마나 기여할까? © Jefferson Lab

양성자는 물질의 기본 구성 요소 중 하나이며 중성자와 함께 원자핵을 형성한다. 그러나 모든 것의 이 중요한 입자는 여전히 물리학자들을 당혹스럽게 만들고 항상 놀라움을 불러일으킨다. 전자에 충격을 가하면 예상치 못한 반응을 보이고, 반경은 예상보다 작고, 쿼크와 글루온의 내부 작용은 완전히 이해되지 않는다.

누가 양성자에게 스핀을 주나요?

양성자에 관해 풀리지 않는 또 다른 질문은 양성자 스핀, 즉 입자 자체의 각운동량이다. 입자 물리학의 표준 모델에 따르면, 모든 페르미온과 마찬가지로 1/2 정수 스핀을 갖는다. 오랫동안 양성자는 이러한 스핀을, 특히 양성자의 특성과 행동을 근본적으로 형성하는 3개의 Valence quarks로부터 "물려 받았다"고 가정해 왔다.

그러나 물리학자들이 가속기 실험에서 이것을 테스트했을 때 놀랍게도 다른 그림이 나타났다. 측정 결과에 따르면 세 개의 밸런스 쿼크는 양성자의 전체 스핀의 약 10~30%만 기여한다. 그런데 나머지는 어디서 오는 걸까? 입자 물리학자들은 수십 년 동안 이 문제를 연구해 왔다. 현재 이론에 따르면, 사라진 스핀의 대부분은 강한 핵력의 운반 입자인 글루온에서 나와야 한다. 그들은 양성자 내에서 쿼크를 함께 묶어주는 "접착제"이다.

플러스(+)인가 마이너스(-)인가?

그 이후로 여러 대규모 가속기 실험에서 양성자 스핀에 대한 글루온의 기여를 측정하려고 시도했습니다. 그러나 그 결과는 모호했고 때로는 모순되기도 했다. 초기 측정에서는 실제로 양성자의 스핀에 대한 글루온의 긍정적인 기여에 대한 증거가 발견됐다. "그러나 분석이 향상됨에 따라 긍정적인 결과와 부정적인 결과의 두 가지 결과가 나오기 시작했다"고 미국 Thomas Jefferson National Accelerator Facility의 수석 저자 Joseph Karpie는 설명했다.

▲ 오랫동안 양성자 내에서 수명이 짧은 바다(see) 쿼크 중에서 업(up), 다운(down) 쿼크, 이상한 쿼크만이 상대적으로 안전한 것으로 여겨졌다. © DESY

일부 측정에서 글루온의 스핀은 양성자의 스핀과 정렬됐다. 따라서 강한 핵력의 운반 입자는 실제로 양성자 스핀에 누락된 기여를 할 수 있다. 그러나 다른 테스트에서는 글루온 스핀이 양성자의 전체 스핀과 반대 방향을 가리키는 것으로 나타났다. 따라서 글루온은 양성자 스핀을 감소시키는 경향이 있다.

그런데 어떤 결과가 맞을까? 두 번째가 맞다면 쿼크는 양성자 스핀의 가장 큰 부분을 차지해야 하며, 대안으로 쿼크와 글루온의 움직임은 현재 모델에 따라 가능한 것보다 스핀에 더 많이 기여해야 한다.

그리드 QCD를 이용한 검증

설명을 찾기 위해 Karpie와 그의 팀은 이제 모순된 측정 결과를 둘러싼 미스터리를 이론적으로 다시 테스트했다. 이를 위해 연구진은 실험 데이터를 바탕으로 슈퍼컴퓨터에서 소위 격자 QCD 시뮬레이션을 수행했다. 이는 양자 색역학(QCD)의 법칙을 단순화하여 쿼크와 글루온 사이의 복잡한 상호 작용을 단순화한다.

"이런 방식으로 우리는 실험적 데이터와 이론적 데이터 세트를 결합해 개별 방법보다 더 나은 결과를 얻을 수 있다"고 Karpie는 설명한다. "우리는 한 차원에서 양성자 스핀에 대한 글루온의 기여를 결정할 수 있다. 실제로 이 조합은 측정값을 개선하고 좁히는 데 도움이 되었다.“

미스터리가 남아있다.

그러나 현재의 검토조차도 모순을 해결하지는 않는다. “현재 격자 QCD 데이터는 부정적인 결과를 확실히 배제할 수 없다”고 물리학자들은 말했다. 결과는 글루온 스핀에 대한 음수 값의 범위를 줄이고 이를 특정 조건으로만 제한했다. 이로 인해 가능성이 조금 낮아진다. Karpie는 “음수 값의 가능성이 사라진 것은 아니지만 크게 변했다”고 말했다.

물리학자들은 자신들의 방법론이 아직 시작 단계에 불과하다고 강조한다. Karpie는 “문제 분석에서 격자 QCD와 실험을 결합하면 훨씬 더 많은 것을 배울 수 있다는 것을 보여준다”고 말했다. “하지만 이것은 단지 첫 번째 단계일 뿐이다. 이제 우리는 점점 더 많은 관찰 매개변수를 사용해 이를 계속해야 한다. 한 가지 분명한 점은 양성자 스핀의 미스터리가 아직 해결되지 않았다는 것이다.

참고
Physical Review D, 2024; doi: 10.1103/PhysRevD.109.036031
DOE/ Thomas Jefferson National Accelerator Facility

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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