양성자내 쿼크의 운동량과 분포 차이 발견
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2023-08-31 14:27:09
3'00" 읽기
- 6가지 유형의 쿼크가 있지만 그중 2개만이 원자핵의 구성 요소를 형성
- 업 쿼크는 다운 쿼크보다 더 대칭적이고 공간을 적게 차지
- 양성자는 업 쿼크 2개와 다운 쿼크 1개, 중성자는 다운 쿼크 2개와 업 쿼크 1개 포함
양성자와 중성자는 모든 원자핵의 구성 요소다. 이들의 양과 조합에 따라 원소의 성질과 특성이 결정된다. 이러한 핵심 구성 요소는 각각 세 개의 쿼크와 강력한 핵력의 매개자 역할을 하는 글루온으로 구성된다. 흥미로운 점은 6가지 유형의 쿼크가 있지만 그중 2개만이 원자핵의 구성 요소를 형성한다는 것이다. 양성자는 업 쿼크 2개와 다운 쿼크 1개를 포함하고, 중성자는 다운 쿼크 2개와 업 쿼크 1개를 포함한다.
쿼크의 유형은 양성자에 어떤 영향을 미칠까?
쿼크는 양성자나 중성자에 어떻게 분포되어 있을까? 그리고 다양한 유형의 쿼크가 전하 분포, 운동량 또는 에너지를 포함하여 양성자의 더 높은 수준의 특성에 어느 정도 영향을 줄까? 물리학자들은 입자 충돌의 도움으로 알아내려고 노력하고 있다. 특히, 전자와 양성자와 같은 작고 가벼운 입자 사이의 "grazing shots"이나 충돌은 양성자의 쿼크가 어떻게 행동하는지를 밝힐 수 있다.
이러한 실험을 통해 물리학자들은 양성자 특성에서 다양한 쿼크와 글루온의 비율인 소위 파톤 밀도 함수(parton Density Function)에 대한 첫 번째 단서를 얻었다. 이에 따르면 양성자 내 업쿼크와 다운쿼크의 전하, 운동량, 기타 특성은 약간 다른 방식으로 분포된다. "상세한 지도를 얻으려면 서로 다른 양성자 펄스에서 수많은 입자 충돌을 분석해야 한다"고 Brookhaven 국립 연구소(BNL)의 수석 저자 Shohini Bhattacharya는 설명한다. "펄스의 각 변화에는 자체 시뮬레이션이 필요했으며 이에 상응하는 높은 컴퓨팅 성능이 필요했다.“
새로운 방법으로 계산이 더 쉬워졌다.
이를 더 쉽게 만들고 양성자 내 쿼크 분포에 대한 더 정확한 그림을 얻기 위해 Bhattacharya와 그의 팀은 이제 필요한 계산을 단순화하는 방법을 개발했다. “무엇보다도 새로운 이론적 접근 방식을 사용하면 하나의 시뮬레이션에서 다양한 운동량 전달 속도를 모델링할 수 있다”고 물리학자들은 설명했다. 이는 실험 데이터를 평가할 때 많은 컴퓨팅 노력과 시간을 절약해 준다.
특히 그들은 소위 양자 색역학의 격자 게이지 이론(격자 QCD)을 사용했다. 여기서는 서로 다른 쿼크가 시간을 4차원으로 하는 3차원 격자에 배열되어 있다. 쿼크와 글루온의 특성과 행동에 대한 QCD 방정식을 기반으로 연구원들은 쿼크 사이에서 잠재적으로 가능한 모든 상호 작용을 실행하고 전체 양성자 시스템에 미치는 영향을 재구성할 수 있다.
BNL의 공동저자인 Swagato Mukherjee는 “우리 연구는 양성자 내 쿼크의 고해상도 지도를 얻기 위해 새로운 이론적 접근 방식을 사용한 최초의 연구다”고 설명했다.
업 쿼크는 더 대칭적이다
이 쿼크 지도에서 이미 초기 발견이 있다. “우리의 계산에 따르면 업 쿼크는 다운 쿼크보다 더 대칭적으로 분포되어 있고 공간을 덜 차지한다”고 Mukherjee가 보고했다. 대조적으로, 다운 쿼크의 운동량은 훨씬 더 비대칭적이다. “이것은 업 쿼크와 다운 쿼크가 내부 에너지와 스핀을 포함하여 양성자의 기본 특성과 구조에 서로 다른 기여를 한다는 것을 의미한다.”
동시에 계산 결과에 따르면 양성자의 세 원자가 쿼크는 양성자의 전체 스핀의 약 70%만을 차지한다고 물리학자들은 보고했다. 이는 글루온이 양성자의 고유 각운동량에 크게 기여하고 핵 구성 요소의 내부 구조에 대해 더 많은 결론을 도출할 수 있음을 확인시켜 준다. 이제 새로운 계산은 향후 충돌 실험을 계획하고 평가하는 데 도움이 될 수 있다.
(Physical Review D, 2023; doi: 10.1103/PhysRevD.108.014507)
출처: DOE/브룩헤이븐 국립연구소
- 6가지 유형의 쿼크가 있지만 그중 2개만이 원자핵의 구성 요소를 형성
- 업 쿼크는 다운 쿼크보다 더 대칭적이고 공간을 적게 차지
- 양성자는 업 쿼크 2개와 다운 쿼크 1개, 중성자는 다운 쿼크 2개와 업 쿼크 1개 포함
양성자의 서로 다른 쿼크
업 쿼크는 다운 쿼크보다 더 대칭적이고 공간을 적게 차지한다.
물질의 구성 요소에 대한 통찰력:
물리학자들이 양성자에 있는 두 가지 유형 쿼크의 분포와 행동 차이를 지정했다. 그들의 계산 매핑은 업 쿼크의 운동량이 더 대칭적이고 다운 쿼크의 경우 더 작은 공간에 집중된다는 것을 보여준다. 양성자의 스핀에 미치는 영향에도 미묘한 차이가 있다. 따라서 이 데이터는 물질의 기본 구성 요소에 대한 귀중한 통찰력을 제공하고 실험 평가를 용이하게 한다.
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| ▲ 양성자 내 업 쿼크(왼쪽)와 다운 쿼크(위)는 색칠된 원이 나타내는 것처럼 운동량 분포가 약간 다르다. © 브룩헤이븐 국립 연구소 |
양성자와 중성자는 모든 원자핵의 구성 요소다. 이들의 양과 조합에 따라 원소의 성질과 특성이 결정된다. 이러한 핵심 구성 요소는 각각 세 개의 쿼크와 강력한 핵력의 매개자 역할을 하는 글루온으로 구성된다. 흥미로운 점은 6가지 유형의 쿼크가 있지만 그중 2개만이 원자핵의 구성 요소를 형성한다는 것이다. 양성자는 업 쿼크 2개와 다운 쿼크 1개를 포함하고, 중성자는 다운 쿼크 2개와 업 쿼크 1개를 포함한다.
쿼크의 유형은 양성자에 어떤 영향을 미칠까?
쿼크는 양성자나 중성자에 어떻게 분포되어 있을까? 그리고 다양한 유형의 쿼크가 전하 분포, 운동량 또는 에너지를 포함하여 양성자의 더 높은 수준의 특성에 어느 정도 영향을 줄까? 물리학자들은 입자 충돌의 도움으로 알아내려고 노력하고 있다. 특히, 전자와 양성자와 같은 작고 가벼운 입자 사이의 "grazing shots"이나 충돌은 양성자의 쿼크가 어떻게 행동하는지를 밝힐 수 있다.
이러한 실험을 통해 물리학자들은 양성자 특성에서 다양한 쿼크와 글루온의 비율인 소위 파톤 밀도 함수(parton Density Function)에 대한 첫 번째 단서를 얻었다. 이에 따르면 양성자 내 업쿼크와 다운쿼크의 전하, 운동량, 기타 특성은 약간 다른 방식으로 분포된다. "상세한 지도를 얻으려면 서로 다른 양성자 펄스에서 수많은 입자 충돌을 분석해야 한다"고 Brookhaven 국립 연구소(BNL)의 수석 저자 Shohini Bhattacharya는 설명한다. "펄스의 각 변화에는 자체 시뮬레이션이 필요했으며 이에 상응하는 높은 컴퓨팅 성능이 필요했다.“
새로운 방법으로 계산이 더 쉬워졌다.
이를 더 쉽게 만들고 양성자 내 쿼크 분포에 대한 더 정확한 그림을 얻기 위해 Bhattacharya와 그의 팀은 이제 필요한 계산을 단순화하는 방법을 개발했다. “무엇보다도 새로운 이론적 접근 방식을 사용하면 하나의 시뮬레이션에서 다양한 운동량 전달 속도를 모델링할 수 있다”고 물리학자들은 설명했다. 이는 실험 데이터를 평가할 때 많은 컴퓨팅 노력과 시간을 절약해 준다.
특히 그들은 소위 양자 색역학의 격자 게이지 이론(격자 QCD)을 사용했다. 여기서는 서로 다른 쿼크가 시간을 4차원으로 하는 3차원 격자에 배열되어 있다. 쿼크와 글루온의 특성과 행동에 대한 QCD 방정식을 기반으로 연구원들은 쿼크 사이에서 잠재적으로 가능한 모든 상호 작용을 실행하고 전체 양성자 시스템에 미치는 영향을 재구성할 수 있다.
BNL의 공동저자인 Swagato Mukherjee는 “우리 연구는 양성자 내 쿼크의 고해상도 지도를 얻기 위해 새로운 이론적 접근 방식을 사용한 최초의 연구다”고 설명했다.
업 쿼크는 더 대칭적이다
이 쿼크 지도에서 이미 초기 발견이 있다. “우리의 계산에 따르면 업 쿼크는 다운 쿼크보다 더 대칭적으로 분포되어 있고 공간을 덜 차지한다”고 Mukherjee가 보고했다. 대조적으로, 다운 쿼크의 운동량은 훨씬 더 비대칭적이다. “이것은 업 쿼크와 다운 쿼크가 내부 에너지와 스핀을 포함하여 양성자의 기본 특성과 구조에 서로 다른 기여를 한다는 것을 의미한다.”
동시에 계산 결과에 따르면 양성자의 세 원자가 쿼크는 양성자의 전체 스핀의 약 70%만을 차지한다고 물리학자들은 보고했다. 이는 글루온이 양성자의 고유 각운동량에 크게 기여하고 핵 구성 요소의 내부 구조에 대해 더 많은 결론을 도출할 수 있음을 확인시켜 준다. 이제 새로운 계산은 향후 충돌 실험을 계획하고 평가하는 데 도움이 될 수 있다.
(Physical Review D, 2023; doi: 10.1103/PhysRevD.108.014507)
출처: DOE/브룩헤이븐 국립연구소
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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