CERN, LHC 양성자 충돌에서 이중으로 무거운 새로운 테트라 쿼크(Tcc+) 발견
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2021-08-04 22:17:45
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* 2개의 무거운 참(Charm)-쿼크와 2개의 더 가벼운 반쿼크로 구성된 테트라 쿼크 첫 발견
* 다른 모든 이국적인 입자보다 수명이 길다.
* 새로운 Tcc+ 테트라쿼크는 추가 연구의 유혹적인 대상
정상적인 물질에서 쿼크는 전형적으로 원자핵의 양성자와 중성자와 같이 3개의 조합으로 발생한다. 그밖에 쿼크와 안티쿼크로 구성된 짧은 수명 중간자(Meson)도 있다. 클래식한 구성이다. 그러나 최근 몇 년 동안 물리학자들은 4개, 5개 또는 6개의 쿼크를 포함하는 입자를 포함해 입자 가속기에서 쿼크의 다른 신비로운 조합을 발견했다.
최초의 이중으로 무거운 테트라 쿼크
이제 입자 리스트에 새로운 항목이 추가되었다.
CERN 연구 센터의 LHC(Large Hadron Collider) 물리학자들은 새로운 종류의 4-쿼크 입자인 이중으로 무거운 테트라 쿼크(Tcc+)의 첫 번째 대표자를 발견했다. 2개의 무거운 쿼크와 2개의 가벼운 쿼크로 구성된 이 입자는 1980년대 초반에 가정됐지만 그 이후로 한 번도 감지되지 않았다. 그들은 쿼크의 이국적인 조합에도 불구하고 강입자에 대한 최고의 후보로 간주된다.
CERN 연구원들은 이제 그러한 Tcc+ 테트라쿼크를 발견했다.
이것은 입자 가속기 LHC의 양성자 충돌에서 발생하며 검출기 LHCb에 포착된 입자의 질량 분포에서 눈에 띄는 ‘혹’을 기반으로 발견됐다. "테트라쿼크는 D 중간자 질량 스펙트럼에서 좁은 피크로 나타난다" 물리학자들이 신호를 설명하는 방법이다.
연구원에 따르면, 통계적 유의성은 20 표준 편차 이상이며 따라서 입자 물리학의 발견에 대해 말하는 5시그마의 임계치를 훨씬 초과한다.
더블 참(Charm)
새로 발견된 테트라 쿼크는 두 개의 무거운 매력 쿼크, 즉 업 반쿼크와 다운 반쿼크로 구성된다. 이것은 최초의 이중 중량 4-쿼크 입자일 뿐만 아니라 참 안티쿼크를 보상하지 않고 두 개의 참 쿼크를 포함하는 최초의 테트라 쿼크라는 것을 의미한다. 물리학자들은 이러한 입자를 이중의 ‘open Charm’, 말하자면 이중의 Charm을 가지고 있다고 말한다.
오랫동안 그러한 입자가 존재하는지, 다른 테트라 쿼크와 마찬가지로 강력한 핵력에 의해 결합되어 있는지 불분명했다. 2021년 7월 29일 에너지 물리학 회의 유럽 학회에서 LHCb 공동 연구의 물리학자들은 "이번 주에 오랫동안 기다려온 발견은 강력한 원자력을 통해 붕괴하는 Tcc+ 테트라 쿼크가 존재한다는 것과 그 사인이 실험적으로 입증될 수 있음을 보여준다"고 보고했다.
다른 모든 이국적인 입자보다 수명이 길다.
흥미로운 사실은 물리학자들이 보고한 바와 같이 새로운 테트라 쿼크는 알려진 모든 이국적인 강입자 중에서 가장 오래 산다는 것이다. 강한 핵력에 의해 결합된 모든 입자를 강입자라고 한다. 테트라 쿼크의 질량은 붕괴 생성물의 값보다 약간 작다. 각각 무거운 참 쿼크와 가벼운 안티 쿼크로 구성된 두 개의 D-중간자다.
따라서 결합된 4중 상태의 에너지 준위는 붕괴 생성물의 에너지 준위보다 약간 높으며 이는 상대적으로 높은 안정성을 나타낸다. "이것은 이 테트라 쿼크가 여전히 강한 상호작용을 통해 2개의 D-중간자로 붕괴한다는 것을 의미하지만, 이것은 다른 이국적인 강입자보다 더 느리고 덜 집중적으로 발생한다"라고 Syracuse University의 LHCb 연구원 이반 폴리랴코프(Ivan Polyakov)가 설명했다. 따라서 새로운 입자는 이중 무거운 테트라 쿼크의 부류가 실제로 특히 안정적임을 확인시켜준다.
이국적인 강입자에 대한 새로운 관점
새로운 테트라 쿼크의 발견은 이제 두 개의 가벼운 반쿼크로 구성된 두 개의 바닥 쿼크로 구성된 입자인 이중 무거운 테트라 쿼크의 다음, 아마도 훨씬 더 안정적인 대표에 대한 첫 번째 결론을 도출할 수 있게 해준다. 그러나 이 훨씬 더 무거운 강입자는 LHC의 현재 성능으로 아직 감지할 수 없으며 Polyakov가 설명하는 것처럼 극히 드문 경우다.
그것의 더 가벼운 사촌, 이중으로 "매력적인" Tetraquark가 특히 탐지하기 쉽고 연구하기 쉽다는 것은 더욱 유익하다. “새로운 Tcc+ 테트라쿼크는 추가 연구의 유혹적인 대상이다. 붕괴에는 쉽게 감지할 수 있는 입자만 포함되기 때문이다”고 LHCb 팀은 말한다. "이것은 기존 이론 모델에 대한 질량 및 엄격한 테스트를 결정하는 데 높은 정밀도를 가능하게 한다."
(European Physical Society conference on high-energy physics (EPS-HEP 2021))
출처: CERN, LHCb Collaboration
* 2개의 무거운 참(Charm)-쿼크와 2개의 더 가벼운 반쿼크로 구성된 테트라 쿼크 첫 발견
* 다른 모든 이국적인 입자보다 수명이 길다.
* 새로운 Tcc+ 테트라쿼크는 추가 연구의 유혹적인 대상
이중 참(Charm)입자를 가진 첫 번째 테트라 쿼크
CERN 물리학자들, 지금까지 4개의 쿼크로 된 가장 오래 지속되는 조합 발견
특별히 신비로움:
물리학자들은 2개의 무거운 참(Charm)-쿼크와 2개의 더 가벼운 반쿼크로 구성된 테트라 쿼크를 처음으로 발견했다. 이는 완전히 새로운 종류의 4쿼크 입자의 첫 번째 대표다. 이중으로 무거운 테트라 쿼크는 오래 지속되는 후보로 간주되며, 아마도 이국적인 쿼크 조합의 안정적인 대표자일 수도 있다. CERN의 LHC(Large Hadron Collider)에서 이러한 입자 중 하나를 감지해 이 신비로운 형태의 물질 연구를 위한 새로운 기회가 열렸다.
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▲ 두 개의 참(Charm) 쿼크와 두 개의 가벼운 반쿼크로 구성된 입자 - 현재 LHC에서 발견된 이 테트라 쿼크는 완전히 새로운 종류의 4개 쿼크 부분인 이중 무거운 테트라 쿼크의 첫 번째 대표자다. © CERN |
정상적인 물질에서 쿼크는 전형적으로 원자핵의 양성자와 중성자와 같이 3개의 조합으로 발생한다. 그밖에 쿼크와 안티쿼크로 구성된 짧은 수명 중간자(Meson)도 있다. 클래식한 구성이다. 그러나 최근 몇 년 동안 물리학자들은 4개, 5개 또는 6개의 쿼크를 포함하는 입자를 포함해 입자 가속기에서 쿼크의 다른 신비로운 조합을 발견했다.
최초의 이중으로 무거운 테트라 쿼크
이제 입자 리스트에 새로운 항목이 추가되었다.
CERN 연구 센터의 LHC(Large Hadron Collider) 물리학자들은 새로운 종류의 4-쿼크 입자인 이중으로 무거운 테트라 쿼크(Tcc+)의 첫 번째 대표자를 발견했다. 2개의 무거운 쿼크와 2개의 가벼운 쿼크로 구성된 이 입자는 1980년대 초반에 가정됐지만 그 이후로 한 번도 감지되지 않았다. 그들은 쿼크의 이국적인 조합에도 불구하고 강입자에 대한 최고의 후보로 간주된다.
CERN 연구원들은 이제 그러한 Tcc+ 테트라쿼크를 발견했다.
이것은 입자 가속기 LHC의 양성자 충돌에서 발생하며 검출기 LHCb에 포착된 입자의 질량 분포에서 눈에 띄는 ‘혹’을 기반으로 발견됐다. "테트라쿼크는 D 중간자 질량 스펙트럼에서 좁은 피크로 나타난다" 물리학자들이 신호를 설명하는 방법이다.
연구원에 따르면, 통계적 유의성은 20 표준 편차 이상이며 따라서 입자 물리학의 발견에 대해 말하는 5시그마의 임계치를 훨씬 초과한다.
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▲ D 중간자의 질량 스펙트럼에서 이 명확한 피크는 새로운 테트라쿼크의 존재를 확인시켜 준다. © LHCb collaboration / CERN |
더블 참(Charm)
새로 발견된 테트라 쿼크는 두 개의 무거운 매력 쿼크, 즉 업 반쿼크와 다운 반쿼크로 구성된다. 이것은 최초의 이중 중량 4-쿼크 입자일 뿐만 아니라 참 안티쿼크를 보상하지 않고 두 개의 참 쿼크를 포함하는 최초의 테트라 쿼크라는 것을 의미한다. 물리학자들은 이러한 입자를 이중의 ‘open Charm’, 말하자면 이중의 Charm을 가지고 있다고 말한다.
오랫동안 그러한 입자가 존재하는지, 다른 테트라 쿼크와 마찬가지로 강력한 핵력에 의해 결합되어 있는지 불분명했다. 2021년 7월 29일 에너지 물리학 회의 유럽 학회에서 LHCb 공동 연구의 물리학자들은 "이번 주에 오랫동안 기다려온 발견은 강력한 원자력을 통해 붕괴하는 Tcc+ 테트라 쿼크가 존재한다는 것과 그 사인이 실험적으로 입증될 수 있음을 보여준다"고 보고했다.
다른 모든 이국적인 입자보다 수명이 길다.
흥미로운 사실은 물리학자들이 보고한 바와 같이 새로운 테트라 쿼크는 알려진 모든 이국적인 강입자 중에서 가장 오래 산다는 것이다. 강한 핵력에 의해 결합된 모든 입자를 강입자라고 한다. 테트라 쿼크의 질량은 붕괴 생성물의 값보다 약간 작다. 각각 무거운 참 쿼크와 가벼운 안티 쿼크로 구성된 두 개의 D-중간자다.
따라서 결합된 4중 상태의 에너지 준위는 붕괴 생성물의 에너지 준위보다 약간 높으며 이는 상대적으로 높은 안정성을 나타낸다. "이것은 이 테트라 쿼크가 여전히 강한 상호작용을 통해 2개의 D-중간자로 붕괴한다는 것을 의미하지만, 이것은 다른 이국적인 강입자보다 더 느리고 덜 집중적으로 발생한다"라고 Syracuse University의 LHCb 연구원 이반 폴리랴코프(Ivan Polyakov)가 설명했다. 따라서 새로운 입자는 이중 무거운 테트라 쿼크의 부류가 실제로 특히 안정적임을 확인시켜준다.
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이국적인 강입자에 대한 새로운 관점
새로운 테트라 쿼크의 발견은 이제 두 개의 가벼운 반쿼크로 구성된 두 개의 바닥 쿼크로 구성된 입자인 이중 무거운 테트라 쿼크의 다음, 아마도 훨씬 더 안정적인 대표에 대한 첫 번째 결론을 도출할 수 있게 해준다. 그러나 이 훨씬 더 무거운 강입자는 LHC의 현재 성능으로 아직 감지할 수 없으며 Polyakov가 설명하는 것처럼 극히 드문 경우다.
그것의 더 가벼운 사촌, 이중으로 "매력적인" Tetraquark가 특히 탐지하기 쉽고 연구하기 쉽다는 것은 더욱 유익하다. “새로운 Tcc+ 테트라쿼크는 추가 연구의 유혹적인 대상이다. 붕괴에는 쉽게 감지할 수 있는 입자만 포함되기 때문이다”고 LHCb 팀은 말한다. "이것은 기존 이론 모델에 대한 질량 및 엄격한 테스트를 결정하는 데 높은 정밀도를 가능하게 한다."
(European Physical Society conference on high-energy physics (EPS-HEP 2021))
출처: CERN, LHCb Collaboration
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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