다아라 매거진 _ 2017.11

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[Technical News]양성자 간 충돌 때 기묘입자 증가 세계 최초 발견

국내 연구진, 우주 초기 물질 발견에 기여

[Technical News]양성자 간 충돌 때 기묘입자 증가 세계 최초 발견 - 다아라매거진 기술뉴스
대형이온충돌실험(ALICE, 앨리스) 장치 개요


한국연구재단(이사장 조무제)은 “윤진희 교수(인하대) 등 국내 연구진 45명이 참여하고 있는 CERN의 초기 우주의 물질 상태와 상호작용을 밝히기 위한 대형이온충돌실험에서 기존의 납과 납의 핵 충돌에서 보였던 기묘입자 생성량 증가를 양성자-양성자 충돌 실험에서도 증가한다는 사실을 세계 최초로 관측했다”고 밝혔다.

현대 우주는 매우 밀도가 높고, 뜨거웠을 태초의 우주가 대폭발, 즉 빅뱅을 통해 팽창우주가 되었을 것이라고 과학자들은 설명한다.

그렇다면 빅뱅 이후 초기 우주 상태는 어떠했을까? ALICE는 빅뱅 이후 초기 우주의 쿼크-글루온 플라즈마(QGP) 상태를 연구하기 위해 대형강입자충돌기(LHC)를 이용해 중이온을 충돌시키는 실험이다.

기존에는 양성자-양성자, 납핵-납핵과 같이 충돌 시스템의 차이에 대해서만 분석을 진행했다. 이는 굉장히 짧은 시간에 짧은 진동으로 일어나며 안정적인 입자만 측정이 가능하다. 이번 연구는 가능한 모든 충돌 시스템으로부터 얻은 결과들을, 각 충돌 시 생성된 전체 입자수 (멀티플리시티)에 대해 통일적으로 비교하는 세부적인 분석으로 진행했다.

연구진은 양성자-양성자 충돌실험에서 기묘입자들의 양을 멀티플리시티에 대해 측정하고, 각 기묘입자들의 파이온(π)에 대한 상대량을 구했다. 이 값은 충돌시스템의 규모에 따라 증가했는데, 특히 기묘쿼크를 많이 가진 입자일수록 급격하게 나타났다. 분석 결과, 기존의 납핵-납핵 충돌뿐 아니라 양성자-양성자 충돌에서도 기묘입자들의 생성량이 증가한다는 사실이 밝혀졌다.

이번 연구 결과는 양성자충돌에서도 쿼크-글루온 플라즈마와 같은 새로운 물질상태가 생성될 수 있다는 기묘입자 증가의 원인에 대한 연구를 진일보시킴으로써 우주 초기상태 물질과 쿼크-글루온 플라즈마의 특성 연구에 대한 새로운 이정표를 제시했다는 평이다.

한국 연구팀은 이번 논문의 주제인 기묘입자 생성량을 비롯하여 각 쿼크의 질량이나 함량에 따라 변하는 신호(생성량이나 집단운동)들을 분석해 초기 우주의 물질 상태와 상호작용을 연구했다.

윤진희 교수는 “이 연구는 기존의 핵-핵 충돌에서 만들어지는 쿼크와 글루온의 플라즈마 상태에서 발생하는 기묘입자 생성량의 증가가 양성자-양성자 충돌에서도 비슷한 비율로 발생함을 보임으로써 기묘입자의 증가가 중이온 충돌 실험만의 고유한 특성이 아님을 밝혔다. 이 과학적 발견 과정에서 한국 연구진은 기묘쿼크를 2개 포함하는 크사이(Ξ) 입자를 재구성해 운동량에 따른 생성량 분포를 계산했으며, 이번 양성자-양성자 충돌 외에 다른 시스템의 충돌에서도 기묘입자의 생성량을 밝히는 데 결정적인 역할을 할 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

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