물리 초미시 세계 관찰하는 기술로 물질 만드는 근본 힘 측정한다

초미시 세계 관찰하는 기술로 물질 만드는 근본 힘 측정한다

강입자의 일종인 하이퍼론 중 가장 희귀한 오메가 입자(왼쪽)와 양성자(오른쪽)와의 상호작용을 나타낸 그림. CERN 제공

국내 연구팀이 나노미터(㎚·10억분의 1m) 크기의 100만분의 1에 불과한 입자까지 관찰하는 기술로 우주를 지배하는 기본적인 힘 중 하나인 '강력'을 정밀하게 측정하는데 성공했다.

초기 우주의 비밀을 밝히는 대형이온충돌실험(ALICE·앨리스)을 수행하는 국내 7개 연구팀이 1펨토미터(1펨토미터는 1000조 분의 1m) 규모의 초미시 세계를 관찰하는 ‘펨토스코피’ 기술로 강입자인 오메가 입자와 양성자 사이의 강력을 정밀하게 측정했다고 26일 밝혔다.

앨리스는 유럽핵입자물리연구소(CERN)의 거대강입자가속기로 입자들을 빛의 속도로 충돌시켜 빅뱅 직후의 원시우주를 재현하는 국제 공동프로젝트다. 양성자와 중성자보다 작은 쿼크와 글루온이 어떻게 상호작용하는지 관찰해 우주 초기 물질의 생성과정과 우주의 진화 과정을 예측하는 것이 목표다. 전 세계 39개 국가의 1900여명이 참여하고 있으며 국내에서는 강릉원주대, 부산대, 세종대, 인하대, 연세대, 전북대, 충남대, 한국과학기술정보연구원 등 8개 연구기관에서 40명의 연구원이 참여하고 있다. 이번 연구에는 이 가운데 7개팀이 참여했다.  

거대강입자가속기에서는 쿼크와 글루온 사이에 강력이 발생해 양성자나 중성자 같은 강입자가 만들어진다. 강력은 중력, 전자기력, 약력과 함께 자연계에 존재하는 4가지 기본 힘 중 하나로 현재까지 강력이 발생하는 이유는 밝혀지지 않았고 실험을 통해 정밀하게 측정하기도 어려웠다.

연구팀은 거대강입자가속기에서 만들어지는 입자들의 운동량 차이를 측정하는 펨토스코피 기술을 이용해 강입자의 한 종류인 하이퍼론 중 가장 희귀한 오메가 입자와 양성자 사이에 발생하는 강력을 정밀하게 측정했다. 펨토스코피는 펨토 크기의 초미시 세계를 관찰하는 기술을 일컫는데, 연구팀은 양성자끼리 충돌해 만들어지는 오메가 입자와 양성자의 운동량을 비교해 충돌 전 작용하는 강력을 역으로 추적하는 방법을 이용했다. 즉 입자들의 운동량을 이용해 초미시 세계에서 나타나는 정보를 알 수 있는 셈이다.

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연구팀은 이 기술로 오메가 입자와 양성자 사이의 강력을 측정한 결과 두 입자 사이에 작용하는 강력을 이론적으로 계산한 값과 일치한다는 사실을 확인했다. 

윤진희 인하대 물리학과 교수는 "하이퍼론처럼 불안정한 입자에 작용하는 강력은 정밀하게 측정할 수 없었다"며 "여러 입자를 생성하고 운동량을 정밀하게 측정할 수 있는 거대강입자가속기를 이용해 초미시 세계를 관찰할 수 있었다"고 말했다.

이 연구는 국제학술지 ‘네이처’ 인터넷판 2020년 12월 9일자에 실렸다.