사상 첫 '쿼크 압력' 측정 성공 ...중성자별 내부 압력의 10배
사상 첫 '쿼크 압력' 측정 성공 ...중성자별 내부 압력의 10배
  • 조송현 조송현
  • 승인 2018.05.22 22:47
  • 업데이트 2018.05.22 00:00
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사상 첫 '쿼크 압력' 측정 성공 ...중성자별 내부 압력의 10배

양성자 내부 쿼크는 중성자별 내부 물질이 받는 압력의 10배를 받는다. 양성자 내부 쿼크 개념도. 출처 : 토머스 제퍼슨 국립가속기연구소

미국 물리학자들이 사상 처음으로 양성자 내부 압력인 '쿼크 압력(quarks force)'을 측정하는 데 성공했다. 입자물리학의 새 장을 열었다는 평가와 함께 물리학계의 비상한 관심을 불러일으키고 있다.

미국 토머스 제퍼슨 국립가속기연구소의 볼커 버커트(Volker Burkert)가 이끄는 연구팀은 양성자를 구성하는 기본입자인 쿼크(quarks)가 10의 35승(100 decillion) 파스칼의 압력을 받는다는 내용의 논문을 5월 16일자 과학학술지 Nature에 게재했다.

쿼크가 받는 이 같은 압력은 우주에서 가장 밀도가 높은 천체인 중성자별 내부 압력의 10배에 해당한다.

연구팀에 따르면 양성자 내부의 압력은 균일하지 않으며 중심으로부터의 거리가 증가함에 따라 압력은 감소한다.

논문의 주저자인 버커트는 “우리는 양성자 중심에서 극도로 강한 외부지향적 압력과 주변부에서 한층 낮지만 확장된 내부지향적 압력을 발견했다”고 설명했다.

양성자 내부 구조는 오랫동안 수수께끼였다. 현대물리학에 의하면, 양성자는 3개의 쿼크로 구성되는데, 이들은 글루온(gluons)에 유래하는 힘으로 결합되어 있다. 쿼크가 글루온에 의해 단단히 묶여 있지만, 붕괴되지 않으려면 어떤 종류의 반발력 또한 있어야 한다.

연구팀은 쿼크가 얼마나 긴밀하게 결합되어 있는지를 알아보기 위해 양성자의 깊숙한 내부를 들여다보는 담대한 실험을 감행했다.

연구팀은 양성자에 전자 빔을 발사했다. 전자는 광자(photon)처럼 행동하는 에너지 덩어리를 운반하여 3개의 쿼크 중 하나에 전달했다. 그러자 전자는 그 쿼크에서 튀어나오고, 그 반동으로 양성자가 움찔했으며, 전자로부터 광자를 받은 쿼크는 또 다른 고에너지 광자를 방출했다.

연구팀은 이 같은 일련의 과정에서 전자, 양성자, 광자의 운동량 변화 등을 통해 양성자 내부 쿼크의 3차원 지도를 만들었다. 이는 의사들이 3차원 이미징 기술로 우리 신체 내부를 진찰하는 것과 비슷하다고 연구팀은 설명했다.

여기에는 광자와 전자의 상호작용을 설명하는 콤프턴 산란(Compton Scattering)이 응용되었다. 연구팀은 생성된 광자의 산란을 관측했고, 양성자와 가속된 전자에 대한 정보를 결합하여 쿼크가 충돌에 반응하는 방식을 결정했다. 이 산란을 통해 양성자 중심에 존재하는 엄청난 외부지향의 압력을 설명하는 에너지와 운동량 지도를 만들 수 있었다.

이 같은 외부지향적 압력은 양성자의 붕괴를 방지하는 힘인 동시에 세 개의 쿼크를 묶는 힘과 동일한 압력이라는 사실을 연구팀은 확인했다. 그 압력은 바로 10의35승 파스칼이었다. 이 수치는 우주에서 가장 밀도가 높은 천체인 중성자별 내부 압력의 10배에 해당한다.

양성자는 우주보다 더 오래 살아남을 정도로 매우 안정된 입자로 알려져 있다. 양성자 내부 구조를 연구하다 보면 언젠가 양성자의 붕괴 정보와 우주의 근본적인 특성에 관한 단서도 포착하게 될지 모른다.

연구팀은 양성자 내부의 힘을 계산해 쿼크가 어떻게 움직이는지를 그려낼 계획이다.

버커트는 “우리의 연구는 양성자 내부의 강력한 힘의 크기와 분포를 시각화하는 방법을 제공한다”면서 “이것은 입자물리학의 새로운 방향을 제시한다”고 말했다.

# 기사 출처 : Nature, The pressure distribution inside the proton COSMOS, Inside every proton, 10 neutron stars New Scientist, We’ve measured the pressure inside a proton and it’s extreme Science Alert, Protons Contain 10 Times More Pressure Than a Neutron Star, According to First-Ever Measurement