양성자 스핀 미스터리를 풀어줄 새로운 단서

       

양성자 스핀 미스터리를 풀어줄 새로운 단서  물질과 에너지 / 과학 2014/07/22 09:54 http://blog.naver.com/hansyoo/220067774106 전용뷰어 보기

양성자 스핀 미스터리를 풀어줄 새로운 단서

Jul 21, 2014 |By Clara Moskowitz, Scientific American

   물리학자들은 양성자의 스핀이 양성자를 구성하고 있는 쿼크로부터 나왔다고 오랫동안 가정해 왔다. 그러나 새로운 측정 결과 글루온이라 불리는 입자들의 (양성자 스핀에 대한) 기여도가 큰 것으로 제시되고 있다. 글루온의 기여도와 함께 쿼크와 글루온의 궤도 각운동량도 기여할 것으로 보인다.

양성자는 3개의 쿼크(업 쿠크 2, 다운 쿼크 1)가 글루온으로 서로 연결되어 있다. Brookhaven National Laboratory

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   양성자가 갖고 있는 일정한 스핀은 양성자의 질량이나 전하처럼 고유 특성이 된다. 그러나 이 스핀이 어디서 나오는 가는 대단한 미스터리에 속하며 "양성자 스핀 수수께끼(proton spin crisis)"라고 부른다. 애초에 물리학자들은 양성자 스핀이 그것을 구성하고 있는 3개 쿼크 스핀들의 합으로 생각했다. 그러나 1987년 실험에서 쿼크들은 양성자 스핀의 단지 일부만 설명할 수 있음이 증명되었고, 따라서 나머지 부분에 대한 의문이 제기되었다. 양성자 내부의 쿼크는 글루온에 의해서 결합되어 있는데, 따라서 과학자들은 아마도 글루온이 스핀에 기여할 것이라고 제시하였다. 이 아이디어가 최근 뉴욕 브룩헤이븐 국립연구소의 RHIC(Relativistic Heavy-Ion Collider, 상대론적 중이온 충돌기)에서 양성자 충돌 결과를 분석한 두 건의 연구 결과로 뒷받침되고 있다.

   물리학자들은 종종 스핀이 입자의 회전이라 설명하지만, 그러나 이 같은 설명은 글자 그대로라기보다는 은유적인 성격을 지닌다. 사실 스핀이란 양자 세계의 양(quantity)으로, 고전적인 용어로는 설명될 수 없다. 실제로 양성자가 아주 작은 구슬이 아니라 동시에 나타나고 사라지는 유령 같은 입자가 뒤죽박죽된 상태인 것처럼, 스핀이란 것은 복잡한 확률적 특성이다. 하지만 그 값은 항상 1/2이다.

   쿼크도 스핀 값이 1/2이다. 물리학자들은 애초에 양성자의 3개 쿼크 중 2개가 항상 반대 방향을 향하고 있어서 서로를 상쇄하고, 나머지 하나의 쿼크가 양성자 전체 스핀이 된다고 가정했다. 그러나 이 같은 생각은 25년 전의 순박한 아이디어였다고 부에노스아이레스 대학 다니엘 드 플로리안(Daniel de Florian)은 말한다. 그는 7월 2일 피지컬 리뷰 레터즈(Physicl Review Letters)에 발표된 논문의 선임 저자다. 80년대 말까지 쿼크 스핀이 양성자 스핀에 기여하는 바를 측정하는 것이 가능했는데, 최초의 측정 결과는 그 기여도가 제로(0)였고 따라서 매우 놀라운 결과였다. 이후에 진행된 측정에서는 쿼크가 양성자 전체 스핀의 최대 25%까지 기여할 수 있음을 제시하였지만, 그러나 여전히 나머지 큰 부분은 설명될 수 없었다.

   글루온 역시 양성자 내부에 있고 강한 핵력을 나타내는데, 핵력이란 쿼크를 서로 결합하는 기본적인 상호작용이다. 각각의 글루온은 스핀이 1이고, 그 방향에 따라서 설명되지 못한 양성자 스핀의 대부분을 설명할 수도 있다. 그런데 글루온의 기여도를 측정하기는 매우 어려운 일이다. RHIC는 이 의문을 해결할 유일한 실험 장비인데, 그 이유는 "스핀 편행된(spin-polarized)" 양성자를 충돌시킬 수 있도록 만들어진 유일한 가속기이기 때문이다. 가속기 내에서 입자들이 서로 충돌할 때 모두 특정 방향이 된다는 뜻이다. 스위스의 거대 강입자 가속기 LHC는 LHIC보다 더욱 강력한 것은 맞지만, 그러나 LHC에서는 입자들의 스핀이 정렬되지 않는다.

   두 양성자가 서로 충돌할 때 이들의 상호작용은 강력한 힘으로 제어되는데, 따라서 글루온이 밀접하게 관여한다. 만일 글루온 스핀이 양성자 스핀의 중요 구성요소라면 충돌하는 양성자들의 스핀 방향은 결과에 영향을 줘야 한다. 과학자들은 스핀이 정렬된 두 양성자들 간의 충돌은 스핀이 서로 반대방향인 경우와는 다른 주파수에서 일어날 것이라고 예상했다. 그리고 RHIC에서 얻은 최근의 데이터에 따르면, '차이'가 있었다. 만일 특별히 정해진 방향이 없다면 그 차이는 정확히 제로(0)였을 것이라고 옥스퍼드 대학의 물리학자 후안 로호(Juan Roio)는 말한다. 그는 저널 뉴클리어 피직스(Nuclear Physics) B에 발표된 두 번째 논문을 쓴 NNPDE 공동연구팀의 일원이다. 로호 연구팀은 글루온이 쿼크가 양성자에 기여하는 스핀의 약 반을 기여할 수 있을 것이라고 계산했다. 드 플로리안과 그의 동료들은 RHIC에서 같은 데이터를 분석했는데, 글루온의 기여도를 계산하는데 사용한 수학적 분석 방법이 다르다. 그들은 또한 글루온 스핀 기여도가 현저히 드러나는 것을 발견했다. 따라서 이 데이터는 글루온 편향이 실질적으로 제로가 아님을 보여준다고 드 플로리안은 말한다. 글루온이 편향된 것을 본 것이며 기본적으로 양성자 스핀의 나머지 부분의 원인이 되지만, 그러나 아직 불확실성이 매우 크다고 한다.

   두 연구팀 모두 그들의 연구가 양성자 스핀에 글루온이 어떻게 영향을 주는가를 알아내기 위한 탐구를 막 시작한 단계라고 말한다. 확실한 것을 위해서는 많은 실험이 필요하다. 가장 좋은 실험은 브룩헤이븐에 건설될 전자-이온 충돌기라고 그들은 말한다. 이 장비는 편향된 양성자들을 RHIC보다 더 큰 에너지로 충돌시킬 것이고 따라서 현재 얻어진 데이터보다는 더 큰 에너지의 글루온이 양성자 스핀에 기여하는 바를 알아낼 것이다.

   만일 글루온 스핀이 설명되지 않고 있는 양성자 스핀을 제공하지 않는다면 그 나머지 부분은 양성자 내부에서 몰려다니는 쿼크와 글루온의 궤도 각운동량에서 나타날 수도 있다. 지구가 자체 축을 중심으로 자전하면서 태양 주위를 공전하듯이 쿼크와 글루온도 자체의 내부 스핀이 있고 여기에 다시 양성자 중심 주위를 움직이는 각운동량이 있다. 이번 연구에는 참가하지 않았지만 MIT의 물리학자 로버트 제프(Robert Jaffe)는 각 성분들이 전체 스핀에 어느 정도 기여하는가가 문제라고 말한다. 글루온의 양성자 스핀 기여도를 측정하는 것은 이 문제에 답을 제공하는 중요한 첫 단계일 것이라고 그는 말한다.

   양성자 스핀 수수께끼는 입자 스핀을 이해하는데만 중요한 것이 아니다. 양성자와 다른 많은 입자들이 어디서 질량을 얻는가를 알아내는데도 중요하다. 최근에 발견된 힉스 보존은 모든 입자들에 질량을 부여하는 것으로 종종 말해진다. 그 말은 사실이지만, 그러나 그것이 다는 아니라고 로호는 말한다. 힉스 메커니즘과 더불어 양성자에 질량을 부여하는 데는 또 다른 프로세스가 있다. 이 프로세스는 이른바 '가둠(confinement)' 현상과 관계된다. 쿼크와 글루온이 독자적으로는 존재하지 않고 항상 양성자와 같은 다른 입자들 내부에 갇혀 있는 상태로 발견되는 것을 말한다. '가둠'의 동역학 또한 쿼크나 글루온의 스핀 편향에 영향을 준다. 로호에 따르면 현대 이론 물리학의 큰 문제 중 하나는 '가둠'을 이해하는 것이라고 한다. 쿼크와 글루온의 편향 분포를 더 잘 이해할수록 '가둠'을 이해하는데 더 가까이 갈 수 있다고 한다. 그는 자신의 데이터에 '가둠'과 궁극적으로 양성자의 질량이 어디에서 오는가에 대한 배경 정보가 들어 있다고 한다.

 

- 네이버 블로그 <Physics of Dream>  hansyoo 님의 글 중에서 전재..

[출처] 양성자 스핀 미스터리를 풀어줄 새로운 단서|작성자 HA