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- LHC 입자가속기는 모든 물질의 "접착제"에 대해 현재까지 가장 정확한 값을 제공
- 방출된 글루온의 "밀어내는 정도"가 측정돼
- 통일장 이론에도 중요

강한 핵력은 얼마나 강한가?
LHC 입자가속기는 모든 물질의 "접착제"에 대해 현재까지 가장 정확한 값을 제공한다.

모든 물질의 "접착제"를 측정:
물리학자들은 모든 물질을 하나로 묶는 기본 힘인 강력한 핵력을 전례 없는 정밀도로 측정했다. LHC 입자 가속기의 양성자 충돌과 그에 따른 Z-보존(Boson)을 사용하여 연구팀은 약 0.8%의 정확도로 강한 상호작용의 결합 강도를 측정할 수 있었다. 이는 입자 물리학의 표준 모델을 테스트하고 아직 발견되지 않은 힘이나 입자를 감지하기 위한 중요한 전제 조건을 만든다. 

▲ 물리학자들은 강력한 핵력의 세기를 보다 정확하게 측정하기 위해 LHC 입자가속기의 ATLAS 검출기를 사용했다. © CERN/ Maximilien Brice

강한 상호작용은 아마도 모든 근본적인 힘 중에서 가장 근본적인 것일 것이다. 왜냐하면 원자핵에서 양성자와 중성자를 함께 묶어주는 “접착제”이기 때문이다. 강한 핵력의 운반체 입자인 글루온은 이러한 핵 구성 요소에서 쿼크를 함께 결합한다. 강한 상호작용은 매우 작은 공간에서만 작용하지만 동시에 우주의 모든 기본 힘 중에서 가장 강력하고 중요하다. 그것이 없었다면 우리 우주는 현재의 형태로 존재하지 않았을 것이다.

그러나 그 엄청난 중요성에도 불구하고 강한 핵력은 네 가지 기본 힘 중 가장 적게 연구된 힘이다. 소위 결합 상수라고 불리는 그 강도조차도 현재는 불확실성이 큰 것으로 알려져 있다. CERN 연구 센터의 ATLAS 협력 연구원인 Stefano Camarda는 "강한 핵력의 강도는 표준 모델의 핵심 매개변수이지만 측정되는 정확도는 1%에 불과하다"며 "반면에 우리는 훨씬 약한 기본 전자기력을 10억분의 1의 정확도까지 알고 있다"고 설명했다.

▲ 강한 핵력의 글루온(여기서 나선형 스프링으로 표시됨)은 양성자 내에서 쿼크를 함께 유지한다. © Dmitry Kovalchuk/Getty 이미지

방출된 글루온의 "밀어내는 정도"가 측정되었다.

이를 바꾸기 위해 ATLAS 협력 물리학자들은 교란 효과에 상대적으로 영향을 받지 않는 방법을 사용하여 강한 핵력의 결합 상수를 측정했다. 이를 위해 그들은 CERN의 대형 강입자 충돌기(LHC)에서 8테라전자볼트의 에너지로 양성자가 서로 충돌하는 충돌을 평가했다. 이러한 충돌은 특히 두 개의 쿼크가 서로 상쇄될 때 방출되는 기본 입자인 Z-보존(Boson)을 생성한다.

하이라이트:
쿼크가 소멸되는 경우 글루온이 방출되고 글루온의 ‘방사선’으로 인해 생성되는 Z-보존을 측면으로 ‘밀어낸다’. 이 펄스는 원래 충돌 축을 가로질러 작용하며 LHC의 ATLAS 감지기에서 측정할 수 있다. 이 측면 추력의 정도는 강한 핵력의 강도에 직접적으로 의존하기 때문에 물리학자들이 설명하는 것처럼 이 기본 힘의 결합 상수는 소위 Drell-Yan-프로세스를 사용하여 측정할 수도 있다. 연구를 위해 ATLAS 공동 작업의 Camarda와 그의 동료들은 약 1,500만 개의 Z-보존의 붕괴 생성물과 측면 운동량을 측정했다.

이전의 모든 측정보다 더 정확함

그 결과는 결합 상수, 즉 강력한 핵력의 강도를 현재까지 가장 정확하게 측정한 것이다. 이제 물리학자들은 0.1183 ± 0.0009의 값을 결정했다. 측정 불확실성은 약 0.8%이다. "이것은 현재까지 가장 정확한 실험 측정이다"고 팀은 보고했다. 그들에 따르면, 그 값과 그 정밀도는 현재 최고의 이론적 계산 범위 내에 있다.

Camarda는 “강력한 원자력의 결합 강도를 0.8% 수준으로 제한할 수 있었다는 사실은 놀라운 성과다”고 말했다. 그러나 연구팀은 이 방법을 사용하면 측정 정확도가 더욱 높아질 수 있다고 가정한다. 예를 들어 더 높은 에너지로 양성자 충돌을 평가하는 경우도 있다.

▲ 기존 실험값과 이론값과 비교한 강핵력 짝지음 상수의 새로 측정된 값(아래). © ATLAS/CERN

통일장 이론에도 중요

강한 핵력에 대한 보다 정확한 값은 다른 많은 물리적 과정이 이에 의존하고 표준 모델을 확인하는 데에도 사용될 수 있기 때문에 중요하다. 반면, 결합 상수에 대한 보다 정확한 값은 이미 알베르트 아인슈타인에게 골칫거리였던 물리학의 근본적인 질문을 명확히 하는 데 도움이 될 수 있다. 현재 이론에 따르면 빅뱅 직후 모든 기본 힘은 여전히 ​​단일 힘으로 통합되어 있다.

그러한 공통된 "원초적 힘"이 존재했다면, 그 안에 통합된 개별 기본 힘은 당시에 널리 퍼져 있던 상상할 수 없을 정도로 높은 에너지를 고려할 때 모두 똑같이 강력했을 것이다. 그리고 그것들은 오늘날에도 여전히 공통분모로 이어질 수 있어야 한다. , 적어도 수학적, 물리적으로. 그러나 아인슈타인은 이 "통일장 이론"을 방정식에 적용하려고 시도했지만 실패했다.
오늘날 물리학자들은 점점 더 정확한 측정을 통해 물리학의 "성배"를 좁힐 수 있기를 희망한다. 강력한 핵력에 대한 보다 정확한 지식이 도움이 될 수 있다.
(Nature Physics, submitted, Preprint arXiv, doi: 10.48550/arXiv.2309.12986)
출처: CERN

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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