수십 년간 과학자들은 강력한 충돌장치로 금과 다른 원자를 분쇄해 양자와 중성자 내부 기본 입자인 쿼크를 연구 했다.

내부를 알수 없는 쿼크 물질(quark matter)의 관측 상 한계로 연구자들은 그 여파만을 연구했다. 독일 HADES 공동연구팀(The HADES Collaboration)은 충돌이 방출하는 입자를 감지, 중성자 병합의 핵심으로 여겨지는 쿼크 물질을 보다 직접적으로 엿볼 수 있게 됐다.

HADES(High Acceptance DiElectron Spectrometer) 공동연구팀은 실험에서 빅뱅(Big Bang) 중 발생했을 것으로 추정되는 중성자 별(neutron stars) 충돌과 강력한 우주선(cosmic ray) 임팩트 등 예외적 상태를 매핑하고 있다.

연구는 대부분의 입자가 물질(반물질과 반대로)인 중성자 별 충돌 내부와 유사한 조건에서 쿼크 물질의 온도를 측정한 최초의 실험이다.

30일(현지시각) 퀀타메거진에 따르면 뉴욕 RHM(Relativistic Heavy Ion Collider) 물리학자 진 반 부렌(Gene Van Buren)은 쿼크 – 글루온 플라즈마( quark-gluon plasma)로 불리는 높은 에너지의 다양한 쿼크 물질을 조사했다. 그는 “지금까지 누구도 건드리지 못한 지점이다. 매우 흥미롭다”고 말했다.

네이처 피직스(Nature Physics)에 29일 발표 된 논문에 따르면 빅뱅 이후 약 10마이크로 초(μs, 백만 분의 1초)후 우주는 금이 녹아 증발하는 온도의 수 조배에 달하는 초고온(kT = 150 MeV) 에서 광자와 렙톤과 함께 강한 상호작용으로 핵으로 전환 된 쿼크와 글루온으로 채워졌다. 밀도는 핵 내부보다 몇 배나 높았다. 퀀텀 크로모다이나믹스(quantum chromodynamics, QCD) 물질은 상대론적 에너지에서 중 이온(heavy ions)을 충돌시켜 과도 상태로 실험실에서 생성 될 수 있다.

물리학자들은 강한 원자력이 어떻게 쿼크를 양자와 중성자와 같은 복합 입자로 묶는지를 1970년 이후 다소 이해하기 시작했다. 그러나 양자역학의 한 분야인 QCD라는 강력(strong force) 이론은 너무 복잡해 아무도 물질이 고온 및 고밀도에서 어떻게 행동하는지 정확히 예측할 수 없었다.

이론가들은 특정 상황에서 유효한 근사 체계를 개발했지만 큰 불확실성으로 인해 이를 확장하기가 어려웠다. HADES와 같은 실험은 이론에 의해 남겨진 틈을 메우는 것을 목표로 한다. 쿼크 물질을 탐색하는 간접적 방법을 통해 연구자들은 파이어볼(fireball)이 식어 에너지가 입자의 한 덩어리로 변할 때까지 기다린다. 동결(freeze-out)이라고 불리는 지점이다.

그들은 각 입자 유형의 상대적 수로 더 이른 온도를 추론한다. 그러나 동결 상태에서 생성 된 입자는 초고온 덩어리의 기원에 대해 많은 것을 말해 줄 수 없으므로 HADES 연구팀은 다른 현상을 이용했다.

거의 쿼크 물질이 형성되는 동시에 짧은 수명의 복합 입자인 ‘rho 중간자(rho mesons)’가 생성되기 시작한다. 쿼크(quark)와 반쿼크(antiquark)으로 이루어진 rho중간자는 즉각 가상의 광자로 변형되며, 각각은 전자와 반물질 쌍둥이인 양전자로 분열된다.

이 입자는 물질 초기 모멘트에 대한 정보를 HADES 감지기로 전달한다. HADES의 200명 연구원 중 한 명인 테티야나 갈라티우크(Tetyana Galatyuk)는 “그런 풍부한 정보를 실제로 얻을 수 있는 다른 관찰 자료는 없다”고 말한다.

반물질과 물질이 거의 같은 양으로 존재하지 않는 환경에서 QCD 근사화 기법은 비관적이므로 이 영역은 이론상 빈 공간으로 남아 있다. 중성자 별(초 고밀도의 죽은 별) 핵이 함께 나선형으로 충돌 할 때 그들은 시공간 구조를 흔들어 킬로노바 (kilonovas)라는 폭발을 일으킨다.

비슷한 조건을 만들기 위해 팀은 거의 빛의 속도로 가속한 금 원자를 금 타겟으로 충격해 수백 개의 양성자와 중성자를 혼동시켰다 . 폭발 이후, 전자 – 양전자 쌍이 충돌 지점 주변의 탐지기에 쌓였다. 파이어볼 내부 양성자와 중성자는 뉴욕시를 각설탕 크기로 축소한 것과 유사한 밀도에 도달했다.

초고밀도에서 양성자와 중성자는 기본적으로 오버렙된다고 칼라티우크 교수는 말했다. 쿼크-글루온(quark-gluon) 플라즈마(쿼크 물질이 첫 번째 마이크로 초 안에 우주를 가득 채웠다고 여겨지는 단계)에서 일어나는 것처럼 자유 쿼크로 분해되지 않고 대신에 6개 또는 9개의 클러스터로 작용하기 시작했다.

이 온도와 밀도가 물질의 예외적 상태와 일치한다는 것을 확인*, HADES 결과는 대략적인 QCD 계산을 보정하고 근사 체계가 적용될 수 있는 상황의 범위를 넓히는 데 기여한다.

RHIC 입자가속기 충돌실험은 물질과 반물질을 동등한 양으로 생성한다. 이는 연구자가 그 조건을 설명하는 QCD 예측을 확인하는 데 사용된다. 그러나 양성자와 중성자가 반물질보다 많을수록 그 계산이 덜 정확해진다.

그 결과는 HADES 파이어볼 보다 낮은 온도와 더 많은 중성자를 가진 중성자 별 내부에 형성되는 정확한 쿼크 물질 단계의 계산을 조정하는 데 도움이 될 것이다. 연구팀은 입자충돌기 추가 측정이 중성자 별 충돌로부터 중력파 관측 등 이론 확장과 검증에 기여하기를 희망한다.

*논문 : Probing dense baryon-rich matter with virtual photons

*저자 : The HADES Collaboratio

* QCD 물질이 존재할 수있는 여러 단계는 예를 들어 온도, 압력 또는 바리온 케미컬 퍼텐셜(baryon chemical potential)에 의존하며, 전자기 방사의 방출을 연구함으로써 조사 될 수있다. 전자 – 양전자 쌍은 가상 광자의 붕괴에서 나오는데, 이는 강한 상호 작용으로부터 즉각적으로 분리되어 다양한 단계에서 QCD 물질의 특성에 대한 정보를 제공한다. 바리온-리치(baryon-rich) QCD 물질로부터의 가상 광자 방출의 관찰을보고한다. 전자 – 양전자 쌍의 분광 분포는 거의 지수적이며, 특성이 변형 된 성분을 가진 70 MeV를 초과하는 온도의 원인에 대한 증거를 제공함으로써 강한 상호작용 QCD 물질의 특성을 반영한다. 그것의 부피 성질은 최근의 다중 사물 관측으로부터 명백한 것처럼 중성자 별 합병의 최종 상태에서 형성된 고밀도 물질과 유사하다.<논문 요약 중에서>