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- 오더론(Odderon)은 수명이 짧고, 글루온으로만 구성돼
- 1973년 이론적 예측 최근 실험으로 증명돼
- CERN과 Fermilab 에서 각각 실험을 통해 확인하고 공동 발표

글루온에서 새로운 입자 발견
"오더론Odderon"은 강력한 핵력의 중간 입자로만 구성된다.

양자 색역학 확인 :
물리학자들이 CERN과 페르미랩((Fermilab)의 가속기에서 새로운 입자 ‘오더론(Odderon)’을 발견했다. 매우 수명이 짧은 이 입자는 강력한 핵력의 매개체 입자 글루온으로만 구성된다.
오더론의 존재는 일찌기 1973년에 예측됐지만 최근 실험적으로 입증된 것이다. 

▲ CERN의 LHC 입자 가속기에서 TOTEM 검출기의 일부다. Odderons는 여기와 미국의 Fermilab에서 발견됐다. © M. Brice / CERN

글루온은 강력한 핵력의 매개체 입자다.
양성자 및 중성자와 같은 핵 구성 요소에서 쿼크를 함께 잡고 이러한 기본 물질 구성 요소의 동작을 형성한다. 그러나 다른 힘 입자와는 달리 글루온은 함께 뭉칠 수 있다.
이러한 글루온 볼 또는 "글루볼"은 1970년대 초반에 예측됐다.
양성자가 충돌하는 동안 서로 부딪히고 그 과정에서 글루온을 교환할 때 발생한다.

짝수 글루온의 교환이 이미 관찰되었지만 3개 또는 다른 홀수 글루온으로 구성된
Odderons 준 입자의 증거는 지금까지 없었다.

두 개의 입자 가속기에서 단서 찾기

최근 물리학자들은 두 개의 입자 가속기에서 Odderons를 증명하는 데 성공했다.
제네바 근처 CERN에 있는 LHC(Large Hadron Collider)에서 TOTEM 협업의 연구원들은 수년 동안 특수 장치로 Odderons를 찾고 있다. 그들의 탐지기는 가속기의 양성자 빔에 대한 CMS-실험의 측면에 있다. 이는 글루온 볼이 충돌 중에 편향된 양성자의 작은 편차로 인지할 수 있기 때문이다.

이미 2018년에 TOTEM 검출기는 홀수의 글루온이 있는 글루온 볼의 첫 징후를 제공했다.
그러나 그 당시에는 이러한 오더론을 발견하기에는 그 중요성이 충분하지 않았다. 그 이후로 TOTEM 공동 연구팀은 최대 13TeV(테라 전자볼트)의 더 높은 에너지를 가진 양성자 충돌에 대한 추가 데이터를 수집했다.

동시에 미국 Fermilab의 DØ 협력 물리학자들도 테바트론(Tevatron)-가속기에서 유사한 검출기로 측정을 수행했다. 이론에 의하면 이것은 양성자와 반양성자의 광선을 쏘고 그 때 짝수와 홀수 글루온 볼을 모두 교환해야 할 것이다.

함께 발견

두 팀의 물리학자들이 이 측정 결과를 공동으로 발표했다.
그들이 보고한 바와 같이, TOTEM 검출기는 무엇보다도 13TeV와의 양성자 충돌에서 오더론의 존재를 검출하는 데 성공했다.
이에 대한 유의성은 4.6시그마(Sigma)였다. Tevatron에서 연구원들은 1.96TeV의 낮은 에너지에서 홀수 글루온 볼의 교환을 시연했다.

함께, Odderons의 중요성은 5.7시그마이므로 입자 발견이 공식적인 발견으로 간주되는 임계값을 초과한다. 캔자스 대학의 Christophe Royon은 "이것은 Odderon에 대한 최초의 실험적 증거다"고 말했다. "이것은 CERN과 Fermilab에게 훌륭한 발견이다.“

양자 색역학의 기초에 대한 통찰력

Odderon의 발견은 양자 색역학의 근본적인 예측을 확인하기 때문에 특히 흥미롭다.
이 이론은 양자 물리학의 도움으로 강한 핵력의 작용 방식을 설명한다.
무엇보다도 다른 매개체 입자와 달리 글루온도 상호 작용할 것으로 예측된다.
그들은 쿼크에 전달할 수 있는 색 전하라고 알려진 것을 운반하지만 순수한 글루온 조합을 가능하게 한다.
Odderons의 현재 증거는 1973년에 예측된 바와 같이 이러한 글루온 조합이 홀수 글루온 수를 가질 수도 있음을 증명한다.
CERN의 TOTEM 대변인 시몽 지아니(Simone Giani)는 "이 결과는 양자 색역학 이론, 특히 글루온이 자신과 상호작용할 수 있다는 이론의 근본적인 특성을 형성한다"고 설명했다.

동시에, 글루온 볼은 끈 이론이 올바른지에 대한 단서를 제공할 수 있다. 끈 이론은 글루온 볼의 정해진 특성도 예측하기 때문이다.
(FERMILAB PUB-20-568-E / CERN-EP-2020-236, arXiv : 2012.03981)
출처 : CERN, Fermilab

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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