한국연구재단은 ALICE 국제공동연구팀(한국팀 대표: 인하대학교 권민정 교수)이 강한상호작용*을 설명하는 이론의 근본적인 특성인 ‘데드콘(dead cone)’** 효과를 직접 관측하는 성과를 얻었다고 밝혔다.
* 강한상호작용 : 글루온을 통해 쿼크 간에 생기는 상호작용으로 자연계의 네 가지 기본 상호작용 중의 하나. 네 가지 상호작용 중 가장 세기 때문에 강한상호작용이라 불림
** 데드콘(dead cone) : 입자의 진행방향을 기준으로 글루온이 방사되지 않는 원뿔형태의 사각지대
유럽핵입자물리연구소(CERN)의 거대강입자가속기(LHC)*를 이용한 국제공동프로젝트 중 하나인 ALICE에는 40개 국가, 192개 기관의 1,900여명이 참여하고 있으며 한국에서도 9개 기관, 46여명의 연구자들이 참여하고 있다.
* 거대강입자가속기: CERN에 위치한 세계 최대 규모의 핵입자 가속기로 납과 같은 중이온이나 양성자를 빛에 가까운 속도로 가속해 충돌시켜 초미시세계를 연구
ALICE 실험은 빅뱅 직후 백만분의 1초 후에 형성되었을 원시 우주를 재현하고 관찰함으로써, 우주 초기 물질의 생성과정과 상호작용을 밝히고 우주의 진화과정 및 강한상호작용의 근본 원리를 이해하는 것을 목표로 한다.
강한상호작용을 설명하는 표준모형의 이론인 양자색소역학*에 따르면 입자가 충돌할 때 생성되는 기본입자인 파톤(쿼크, 글루온 등)**은 더 낮은 에너지의 파톤을 연속적으로 방사하며 파톤 샤워***를 만들어낸다.
* 양자색소역학 : 강한상호작용을 기술하는 이론
** 파톤(쿼크, 글루온 등) : 강입자를 구성하는 기본 입자인 쿼크와 글루온을 통칭하여 부르는 말
*** 파톤 샤워 : 파톤이 진행하면서 다단계로 더 낮은 에너지의 파톤을 연속적으로 방사하는 현상
물리학자들은 양자색소역학의 기본 방정식을 바탕으로 글루온이 방사되지 않는 파톤 샤워의 사각지대, 이른바 데드콘이 존재 할 것으로 예측했으며 현재까지는 간접적으로만 데드콘의 존재를 확인할 수 있었다.
ALICE 연구팀은 LHC를 통해 수년간 양성자 충돌 데이터를 축적해왔고, 데드콘을 직접 관측하기 위한 독창적인 데이터 분석 방법을 개발해왔다.
그 결과 연구팀은 양성자 충돌 데이터에 정교한 최첨단 분석 기술을 적용, 강한상호작용을 설명하는 이론의 근본적 특성인 데드콘 효과를 직접 관측할 수 있었으며, 강입자에 속박되지 않은 맵시 쿼크*가 유한한 질량을 갖고 있다는 것을 확인하였다.
* 맵시 쿼크 : 여섯 개의 쿼크 중 세 번째로 무거운 쿼크(양성자 질량의 약 1.3배). 1974년 맵시쿼크로 이루어진 J/Ψ 중간자를 발견함으로써 존재를 확인함.
즉, 맵시 쿼크가 포함된 제트*를 측정한 후 시간을 거슬러 올라가며 파톤 샤워의 패턴을 조사해가는 방법으로 데드콘이 존재한다는 직접적인 증거를 제시한 것이다.
* 제트 : 충돌 후 생성되는 파톤이 파톤샤워를 거쳐 강입자화 되며 만들어내는 입자들의 다발
번 연구는 쿼크의 질량을 측정하는 새로운 길을 열었다는 점에서 더욱 의미가 있으며, 지속적인 연구를 통해 바닥 쿼크*가 포함된 제트를 측정하면 데드콘 효과를 정량적으로 이해할 수 있을 것으로 기대된다.
* 바닥 쿼크 : 여섯 개의 쿼크 중 두 번째로 무거운 쿼크(양성자 질량의 약 4.5배). 1977년 바닥쿼크로 이루어진 웁실론 중간자를 발견함으로써 존재를 확인함.
나아가, ALICE 연구팀의 궁극적 목표인 우주 초기물질과 유사한 고온 고밀도 물질을 이해하는 데에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다.
ALICE 한국 연구팀은 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 유럽핵입자물리연구소(CERN)협력사업의 지원을 받았으며, 이번 성과는 국제학술지 ‘네이처(Nature)’에 5월 18일 게재되었다.
