물리 쿼크와 글루온을 만들기 위한 양성자 실험

2013.12.18 13:31

쿼크와 글루온을 만들기 위한 양성자 실험 http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2013120411&service_code=03
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2013-12-12

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스위스에 있는 유럽 입자 물리 연구소(European Organization for Nuclear Research)의 강입자 충돌기는 빛의 속도로 근접하여 이동하는 양성자 무리들의 충돌 과정에서 형성된 힉스 보손의 발견으로 잘 알려져 있다. 그러나 이것은 또한 원자핵의 중성자 및 양성자 내의 기본 입자인 쿼크(quarks)와 글루온(gluons) 구름을 생성하기 위하여, 양성자를 납 이온과 충돌시키고 있다. LHC에서의 최근 실험은 이 쿼크-글루온 플라즈마가 물리학자들이 기대했던 것보다 좀 더 액체인 것으로 드러났다. 미국 브룩헤븐 국립 연구소의 RIKEN BNL 연구소 Adam Bzdak과 웨스턴 미시건 대학의 동료 Vldimir Skokov는 이 효과에 관한 설명을 제시하고 있다.

두 개의 납 이온이 충돌할 때, 쿼크-글루온 플라즈마는 액체와 같은 흐름을 만든다. 이 유체 역학적 흐름은 충돌에서 만들어진 다른 입자들을 운반한다. 이는 마치 빠르게 흐르는 강을 따라 표류하는 배와 같다. 충돌 이온 중 하나를 양성자로 교환하는 것은 이 격류하는 강을 덜 액체처럼 만든다. 왜냐하면, 포함된 입자가 적어지기 때문이다. 따라서, LHC 과학자들은 이러한 충돌에서 만들어진 분출물이 플라즈마 물결을 따라 이동한다는 사실에 놀라워했다.

Bzdak과 Skokov는 충돌에서 생성된 파이온(pions)과 양성자, 그리고 케이온(kaons)에게 어떠한 일이 일어났는지를 계산했다. 이들은 어떠한 유체역학적 상호 작용 없이도, 독립적으로 행동하는 쿼크와 글루온을 갖고 있다. 그리고 그들은 충돌을 위하여, 이러한 “상처입은 핵” 모델을 LHC 데이터와 비교했다. 연구진은 가장 가벼운 입자인 파이온이 모델이 예상했던 것과 거의 비슷하게 행동하는 반면, 좀 더 무거운 케이온과 양성자는 예상했던 것보다 좀 더 많은 모멘텀을 갖는 것으로 드러났다. 좀 더 거대한 입자는 유체 역학적 효과에 의해 힘을 얻은 더 강한 모멘텀을 갖게 된다고 Bzdak은 말한다. “이것이 유체 역학의 결과”라고 Bzdak은 덧붙였다. Bzdak과 Skokov의 계산은 과학자들로 하여금 그것의 최초 순간 동안 우주를 가득 메운 쿼크와 글루온 플라즈마의 이해를 정의하는데 도움을 줄 수 있다. 쿼크와 글루온이 서로 다른 에너지에서 어떻게 상호 작용하는지를 정확히 밝히는 것은 그들의 행동을 설명하는 양자 이론을 재정의하는데 도움을 줄 것이다.

Bzdak은 LHC의 관측에 관한 대체 설명이 존재한다고 지적했다. 이를 컬러 유리 응축물(color glass condensate model) 모델이라고 부른다. 이 모델은 매우 높은 에너지에서 양성자는 여분의 글루온으로 인해 포화 상태가 되어 옴짝 달싹 못하게 된다고 예측하고 있으며, 이는 추가 모멘텀이 충돌에서 뿜어져 나온 좀 더 거대한 입자들에 의해 얻어진다는 것을 설명하고 있다. 연구진의 다음 도전은 두 모델의 다른 실험적 예측을 시험해 봄으로써, 그들 중 어떠한 것이 쿼크-글루온 플라즈마를 가장 잘 설명할 수 있는지를 알아보는 것이라고 Bzdak은 말한다.

(그림) 그림은 강입자 충돌기(Large Hadron Collider, LHC)의 압축 뮤온 솔레노이드(Compact Muon Solenoid, CMS)를 보여주고 있다.

[출처] http://phys.org/news/2013-12-protons-ions-quark-gluon-plasma-liquid.html

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