3'30" 읽기 양성자에는 Charm이 있다. 원자핵에서의 놀라움:
양성자는 물질의 기본 구성 요소 중 하나다. 양성자에 수명이 짧은 참 쿼크가 있을까? 지금까지 어떤 쿼크가 바다(Sea)-쿼크로 발생할 수 있는지에 대해서는 논쟁이 있었다. "가상 양자 효과와 에너지 질량 모델은 가장 가벼운 쿼크와 안티쿼크(Up,Down and Strange)가 모두 양성자의 파동 함수에서 발생해야 함을 시사한다"라고 에딘버러 대학의 리챠드 볼(Richard Ball)과 NNPDF Collaboration의 그의 동료들이 설명했다. 그러나 씨(Sea)-쿼크 중 헤비쿼크의 대표자도 있었는지는 불분명하다.
볼과 그의 팀은 "양자 색역학(QCD)의 출현 이후로 모든 유형의 무거운 쿼크는 본질적으로 양성자의 파동 함수에 나타나야 한다고 주장해 왔다"라고 말했다. 특히 참 쿼크의 경우 무시할 수 없는 고유 성분이 예측됐지만 이를 증명하기는 어려웠다. 문제는 양성자의 구성은 입자 가속기의 충돌에서 가장 잘 분석될 수 있다. 그러나 공급된 에너지로 인해 추가적인 "섭동 쿼크"가 생성되어 고유한 쿼크를 식별하기 어렵다.
AI 시스템은 고유의 매력 쿼크를 감지한다. NNPDF 공동 작업의 물리학자들이 이제 이 문제를 해결했다. 이는 이전의 양성자 충돌에 대한 포괄적인 글로벌 데이터 세트에 대한 AI 지원 분석으로 가능했다. 이론에 따르면 고유 참 쿼크는 충돌의 질량 중심 앞에서 감지할 수 있어야 하고 섭동 쿼크는 중심에 있어야 한다. 따라서 분석 알고리즘은 이 분포에 대한 데이터를 확인했다. 결과:
40년 만에 마침내 입증 따라서 Ball과 그의 동료들은 양성자가 실제로는 적어도 Sea쿼크의 단기 구성 요소로서 매력 쿼크를 포함한다는 사실을 처음으로 입증했다. 그들의 데이터는 또한 양성자의 총 운동량에서 참 쿼크의 몫이라는 면에서 180년대의 이론적 예측과 비교적 잘 일치한다. 전체 양성자 운동량의 1% 미만이 단기 참 쿼크로 추적될 수 있다. "따라서 우리의 결과는 40년 동안 입자 및 핵물리학자들에 의해 뜨겁게 논의되어 온 핵자 구조에 대한 근본적인 질문에 대한 답이다"라고 물리학자들은 말한다. 따라서 이국적이고 무거운 참 쿼크는 양성자의 단명한 쿼크-반쿼크 쌍의 바다에서도 나타난다. 이 발견은 원자핵뿐만 아니라 입자 충돌에서도 양성자의 구조와 거동을 더 잘 이해하기 위해 중요하다. [더사이언스플러스=문광주 기자] "Green Soul, Beautiful Science" [ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지] 1932년 영국의 물리학자 제임스 채드윅(1891~1974)에 의해 중성자가 발견됐을 때 물리학자들의 기쁨은 이만저만이 아니었다. 30여년 동안 추적해온 원자 내부의 비밀이 밝혀졌기 때문이다. 중성자의 발견으로 수수께끼로 남아있던 원자의 구성물질은 중성자, 양성자, 전자로 모두 짝을 맞췄다. 더 중요한 사실은 데모크리토스(기원전 460~370)의 원자설 이후 2400여년 동안 자연계의 기본물질로 군림해온 원자(atom)의 자리에 중성자, 양성자, 전자가 들어섰다는 것. 그러나 기쁨은 잠시뿐. 중성자, 양성자, 전자만으로 설명하기 힘든 사건들이 발생하기 시작했다. 제일 먼저 물리학자들을 혼란에 빠뜨린 것은 양전자(positron). 원자 속에 들어있지 않은 물질이 발견된 것이다. 양전자는 1928년 영국의 물리학자 폴 디랙(1902~1984)이 양자역학을 설명하면서 도입했던 가상의 입자다. 그런데 공교롭게도 중성자가 발견되던 그 해에 미국의 물리학자 칼 앤더슨(1905~1991)에 의해 발견됐다. 우주에서 날아오는 우주선(cosmic ray)을 연구하던 앤더슨은 우연히 전자와 질량이 같지만 (+)전하를 가진 입자를 발견한 것이다. 원래 양전자를 발견하려고 꾸준히 노력해온 학자는 영국의 패트릭 블래킷(1897~1974)이었다. 그러나 불행하게도 앤더슨보다 1년 늦게 양전자를 발견하는 바람에 노벨상을 앤더슨에게 넘겨주어야 했다. 앤더슨은 우주선을 발견한 오스트리아 출신의 빅토르 헤스(1883~1964)와 함께 1936년 노벨물리학상을 받았다. 블래킷도 앤더슨이 발견한 양전자를 확인한 공로를 뒤늦게 인정받아 1948년 노벨물리학상을 받았다. 중성자 발견 이후 또 하나의 숙제는 원자핵 속에 들어있는 양성자들이 전자기력에 의해 서로 밀쳐내지 않고 좁은 공간 내에 머물 수 있는 비결이 뭔가 하는 것이다. 이를 해결한 사람은 일본의 유카와히데키(1907~1981)였다. 1935년 그는 원자핵 속에서 양성자와 중성자가 뭉쳐있는 힘은 양성자와 중성자가 어떤 입자를 끊임없이 주고받는 과정에서 생겨난다고 설명했다. 두 소년이 공을 주고 받는다고 할 때 공을 던지는 힘을 서로 밀어내는 척력, 공을 받는 힘을 서로 당기는 인력에 비유할 수 있다. 이와 마찬가지로 핵 속에 들어있는 어떤 입자가 양성자와 중성자 사이를 오가며 척력과 인력을 발생시켜 핵 속에 양성자와 중성자를 가둔다는 것. 이때 생기는 힘을 강력이라고 한다. 그런데 유카와가 예언했던 입자가 1947년에 실제로 발견돼 강력의 존재가 증명됐다. 양전자를 발견한 앤더슨에게는 여전히 행운이 따랐다. 그는 1936년 우주선 속에서 전자보다 200배나 무거운 뮤온이라는 입자를 발견했다. 그러나 이 입자가 유카와가 예언했던 입자라는 그의 주장은 실험 결과 잘못됐음이 밝혀졌다. 다만 뮤온의 발견은 전자, 양전자와 비슷한 경입자가 존재한다는 것을 보여줬다는 점에서는 대단한 발견이었다. 강력을 매개하는 입자를 발견한 사람은 영국의 세실 파월(1903~1969)이었다. 그는 안데스산맥, 피레네산맥 등 높은 지역을 돌아다니며 우주선을 연구하던 중, 우주에서 날아오는 양성자와 공기분자의 원자핵 속에 들어있는 양성자가 반응하면서 파이온이라는 입자를 만들어내는 것을 관측했다. 이것이 바로 유카와가 예언했던 중간자였다. 유카와는 강력을 매개하는 중간자를 예언한 공로로 1949년에, 파월은 중간자를 발견한 공로로 1950년에 각각 노벨물리학상을 수상했다. 재미있는 사실은 중간자의 수명이 매우 짧아 1억 분의 1초 후에는 뮤온과 뮤온뉴트리노로 변한다는 것. 앤더슨은 안타깝게도 중간자가 사라진 후의 모습을 봤던 것이다. 그런데 중간자의 발견은 또 하나의 새로운 사실을 알려주었다. 양성자가 중성자로, 중성자가 양성자로 변한다는 사실이다. 게다가 양성자와 중성자와 비슷한 성질을 가진 람다(1951년), 시그마(1953년), 반양성자(1955년), 반중성자(1956년) 등의 강입자들이 줄을 이어 발견됐다. 1960년대 초에 이러한 강입자들은 1백여종에 이르러 물리학자들은 ‘입자동물원’을 차리게 됐다고 농담을 주고 받았다. 그러다보니 과학자들은 조물주가 세상을 이처럼 복잡하게 만들지 않았으며, 뭔가 더 기본적인 입자들이 있을 것이라고 추측하기 시작했다. 이러한 문제는 미국의 천재 물리학자 머리 겔만(1929~)이 해결했다. 그는 1961년 ‘팔도설’(불교의 여덟가지 덕목을 가르키는 팔정도에서 따온 말)을 만들어 질서가 없어 보이는 입자동물원을 정리하기 시작했고, 1963년에는 분수전하를 가진 ‘쿼크’라는 기본입자를 창안해냈다. 놀랍게도 겔만이 제기한 3가지 쿼크(업쿼크, 다운쿼크, 스트레인지쿼크)는 당시까지 발견된 100여종의 강입자들을 완벽하게 설명해냈다. 예를 들면 양성자(+1전하)는 업쿼크 2개(+⅔전하×2)와 다운쿼크 1개(-⅓전하)로, 중성자는 업쿼크 1개와 다운쿼크 2개로 이뤄졌다는 것. 겔만이 제안한 쿼크의 존재는 1969년 미국의 스탠퍼드선형가속기연구소에서 전자를 높은 에너지로 가속시켜 수소원자핵 안에 있는 양성자와 충돌시킨 결과 확인됐다. 그 덕에 겔만은 그해 12월 노벨물리학상을 받았고, 쿼크의 존재를 실험으로 입증한 리처드 테일러(1929~), 헨리 켄들(1926~1999), 제롬 프리드먼(1930~)은 1990년에 노벨물리학상을 받았다. 이후 쿼크는 3개 더 있는 것이 확인됐다. 1974년 새뮤얼 팅(1936~)과 버턴 리히터(1931~)에 의해 참쿼크가, 1977년 리언 레더맨(1922~)의 의해 바틈쿼크가, 그리고 1995년 페르미연구소에 의해 톱쿼크가 발견된 것이다. 현재까지 밝혀진 바에 따르면 자연계는 경입자, 쿼크, 그리고 힘을 전달하는 보존이란 기본물질로 이뤄졌다. 태그 |
양성자 쿼크 구성 - yangseongja kwokeu guseong
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