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- 중국 BESⅢ 입자가속기에서 전자와 양전자 충돌 시 생성되는 중성자와 반중성자 조사
- 에너지에 따라 중성자의 형태인자는 매끄러운 선을 생성하지 않고 진동 패턴 나타내
- 이러한 진동은 최근에 양성자에서도 관찰돼
- 이 발견은 입자 물리학, 재료 연구에 도움. 천체 물리학에도 새로운 관점 제공

중성자는 물리학자들을 놀라게 한다.
전자기 특성의 진동이 이론적인 모델에 맞지 않음

수수께끼 같은 진동:
물리학자들은 중성자의 특성을 다시 측정했으며 놀라운 사실을 관찰했다.
핵심 요소의 전자기 폼 팩터(form factor, 형태인자)는 에너지 증가에 따라 고르게 변하지 않고 주기적으로 변동하기 때문이다. 양성자에서 이미 관찰된 이 진동은 "Nature Physics"에서 팀이 설명하는 것처럼 아직 이론적으로 설명할 수 없다. 그것은 예상보다 더 역동적이고 복잡한 중성자의 내부 구조를 나타낸다. 

▲ 중성자의 내부 작동은 여전히 ​​미스터리이며 핵심 구성요소에 몇 가지 놀라운 속성을 부여한다. © Xiaorong Zhu / University for Science and Technology, China

각각 3개의 쿼크로 구성된 양성자와 중성자는 물질의 기본 구성 요소이며 함께 원자핵을 형성한다. 이러한 근본적인 중요성에도 불구하고 핵심 구성 요소는 여전히 미스터리다. 수명, 크기, 내부 구조 등 기본적인 특성에도 불구하고 불확실성이 크다. 또한 물리학자들은 이론적 모델과 일치하지 않는 현상을 반복적으로 관찰한다.

형태 인자(form factor)의 비밀

중성자의 특성에 대한 새로운 관점은 이제 BESIII 협력의 물리학자들에 의해 달성되었다.
실험의 목적은 소위 중성자의 전자기 형태 인자를 보다 정확하게 결정하는 것이었다. 그들은 중성자 내부의 전하와 자화의 평균 분포를 설명하고 내부에 있는 글루온을 통해 연결된 세 개의 쿼크의 행동과 배열에 대한 단서를 제공한다.

Helmholtz Institute Mainz(HIM)의 프랑크 마스(Frank Maas)는 "특정 에너지에서 측정된 단일 형태인자는 처음에는 많은 것을 말하지 않았다"고 설명한다. "서로 다른 에너지에서 폼 팩터를 아는 것만으로 중성자의 구조에 대한 결론을 도출할 수 있다."

2에서 3.8GeV(기가 전자 볼트)의 에너지 범위에서 측정된 것이 거의 없었기 때문에 팀은 이제 소멸 실험으로 이 격차를 좁혔다.

이를 위해 물리학자들은 중국의 BESⅢ 입자가속기에서 전자와 양전자가 충돌할 때 생성되는 중성자와 반중성자의 성질을 조사했다. "비유적인 의미에서 우리는 중성자 폼 팩터 맵의 빈 영역을 새로운 데이터로 채웠다"고 Maas는 말했다.

진동은 모델과 모순됨

분석은 몇 가지 새로운 발견을 제공했다.
그 중 하나는 에너지에 따라 중성자의 형태 인자는 매끄러운 선을 생성하지 않고 오히려 진동 패턴을 나타낸다. 에너지가 증가함에 따라 편향은 점점 작아진다. 이 놀라운 행동은 물리학자들이 설명하는 바와 같이 예상된 행동과의 명백한 편차를 나타낸다. 이러한 진동은 최근에 양성자에서도 관찰됐다.

과학자들은 "우리는 이제 중성자에서도 비슷한 주파수를 가지지만 위상 이동이 큰 상응하는 거동을 관찰하고 있다"고 기술했다. "이러한 결과는 거의 직교 진동을 담당하는 핵자 내 고유 역학이 아직 이해되지 않았음을 시사한다."
즉, 현재 모델이 아직 포착하지 못한 핵심 구성 요소 내부에서 어떤 일이 일어나고 있다는 것이다. Maas는 "이제 이론적으로 우리 동료들은 이 비범한 행동에 대한 모델을 개발하도록 요청받았다“고 설명했다.

이전 편차가 반박됨

그러나 새로운 측정은 또한 이전 측정에서 발견된 불일치가 결국 존재하지 않는 것처럼 보인다. 연구원들은 양성자보다 중성자의 가상 광자와 더 강한 결합을 보여주었다. 따라서 중성자는 양성자보다 더 큰 형태인자를 일관되게 보여야 한다. 그러나 이것은 기본 이론과 모순된다. "양성자는 전하를 띠고 있기 때문에 정확히 그 반대일 것이라고 예상할 수 있다"고 Maas는 말했다.

BESIII 실험의 데이터는 이제 이전 결과를 반박한다.
"우리의 결과는 대부분의 이론적인 모델에서 예측한 바와 같이 광자-양성자 상호작용이 해당 광자-중성자 상호작용보다 더 강력하다는 것을 보여 준다"며 "이것은 이 상호작용에 대한 20년 이상 된 수수께끼를 풀었다”고 기술했다.

천체 물리학에서도 중요

따라서 새로운 측정 데이터는 이러한 물질 구성 요소에 대한 최소한 몇 가지 수수께끼를 푸는 데 도움이 된다. 중성자와 양성자의 기본 속성 중 많은 부분이 완전히 이해되지는 않았지만, 최소한 핵심 구성 요소와 그 동작을 연구하기 위한 새로운 출발점을 제공한다.

이러한 발견은 입자 물리학 및 재료 연구에 도움이 될 뿐만 아니라 천체 물리학에 대한 새로운 관점을 제공할 수 있다. “물질의 가장 작은 구성 요소를 살펴봄으로써 두 중성자별의 병합과 같은 가장 큰 차원에서 일어나는 현상도 이해할 수 있다. 이 극단의 물리학은 매우 매력적이다”고 Maas는 말했다.
(Nature Physics, 2021; doi: 10.1038/s41567-021-01345-6)

출처: Universität Mainz

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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