CERN의 강입차충돌기(Large Hadron Collider, LHCb) 협력 연구팀이 테트라쿼크(tetraquark)라는 새로운 입자를 발견했다고 밝혔다.

800명 이상의 과학자들이 참여한 ‘피어 리뷰 (peer review)’ 전단계 논문은 새로운 입자의 발견을 주장하기위한 일반적인 통계 임계 값을 충족한다.

이 발견은 전 세계의 입자 물리학 실험실에서 수행된 거의 20 년의 연구에서 중요한 돌파구가 됐다.

테트라쿼크 발견의 배경은 1964년으로 거슬러 올라간다. 당시 많은 물리학자들은 20여년의 연구결과가 밝혀온 우주에 존재하는 수많은 입자들을 받아들이려고 애썼다. 당시 CERN의 머레이 젤만(Murray Gell-Mann)은 특정 입자에 대해 쿼크(quarks)라고 불렀다.

오늘날에는 6가지 종류의 쿼크(up, down, charm, strange, top, bottom)가 있음이 알려졌다. 이들 입자는 또한 반대 전하를 갖는 각각의 반물질 동반자를 가지며, 이는 대칭에 기초한 간단한 규칙에 따라 함께 결합할 수 있다.

쿼크와 안티 쿼크로 만들어진 입자를 ‘메존(meson)’이라고 한다. 3개의 쿼크가 서로 결합해 “바리온(baryons)”을 형성한다. 원자핵을 구성하는 친숙한 양성자와 중성자가 그것이다. 이 분류 체계는 1960년대의 입자를 묘사했다.

그러나 원래 논문에서 젤만은 다른 쿼크 조합이 가능하다는 것을 깨달았다. 예를 들어, 2개의 쿼크와 2개의 안티 쿼크는 서로 붙어서 “테트라 쿼크”를 형성 할 수있는 반면, 4개의 쿼크와 안티 쿼크는 “펜타 쿼크”를 만든다.

지금까지 발견 된 모든 테트라 쿼크와 펜타 쿼크에는 두 개의 매력(charm) 쿼크가 포함돼 있으며, 상대적으로 무겁고 두 개 또는 세 개의 가벼운 쿼크(up, down, strange)가 있다. 이 특정 구성은 실험에서 가장 쉽게 발견 할 수 있다.

LHCb detector. Credit: M. Brice, J. Ordan/CERN).

그러나 X (6900)로 명명 된 LHCb에 의해 발견된 최신 테트라 쿼크는 4 개의 매력 쿼크로 구성된다. LHC에서 고 에너지 양성자 충돌로 생성 된 새로운 테트라 쿼크는 ‘J/psi mesons’라고하는 잘 알려진 입자 쌍으로 부패해 각각 매력 쿼크와 매력 안티 쿼크로 만들어졌다.

현재, 쿼크가 어떻게 결합하는지 설명 할 수있는 두 가지 다른 모델이 있다. 쿼크가 강하게 결합해 테트라 쿼크라고하는 것을 만들 수 있다. 또는 쿼크가 분자에 느슨하게 붙어있는 두 개의 메존을 형성하도록 배열됐을 수 있다.

일반적인 분자는 전자기력에 의해 함께 결합 된 원자로 만들어지며, 이는 양으로 하전 된 핵과 음으로 하전 된 전자 사이에서 작용한다. 그러나 메메존 또는 바리온 쿼크는 다른 힘, 즉 ‘강력’을 통해 연결된다. 매우 다른 규칙에 따라 원자와 쿼크가 모두 매우 유사한 복잡한 물체를 형성할 수 있다.

새로운 입자는 2-메존 분자보다는 컴팩트 한 테트라 쿼크와 가장 일치하는 것으로 보인다. 이는 다른 무거운 소형 테트라 쿼크가 있음을 의미한다. 쿼크 사이의 강력한 힘은 매우 복잡한 규칙을 따른다. 실제로 그 효과를 계산하는 유일한 방법은 근사치와 슈퍼 컴퓨터를 사용하는 것이다.

X (6900)의 고유한 특성은 이러한 근사치의 정확도를 개선하는 방법을 이해하는 데 도움이된다.

*Observation of structure in the J/ψ-pair mass spectrum