작성일 : 17-06-12 16:23
CERN 연구팀, 양성자 간 충돌 때 기묘입자 증가 밝혀···세계 최초 윤희진 인하대 교수 "우주 초기 물질 발견 기여"···국내연구자 45명 참여
 글쓴이 : happy
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 분석된 기묘 입자들의 파이온에 대한 상대량. <자료=한국연구재단 제공 >
분석된 기묘 입자들의 파이온에 대한 상대량. <자료=한국연구재단 제공>

빅뱅(대폭발) 이후 초기 우주 모습을 살펴볼 새로운 단초가 발견됐다. 

한국연구재단(이사장 조무제)은 유럽핵입자물리연구소(CERN) 대형이온충돌실험(ALICE) 연구팀이 양성자 간 충돌 실험을 통해 기묘입자 생성량 증가를 관측했다고 11일 밝혔다. 

기묘입자(Strangeness particle)는 위(u)·아래(d)·기묘(s)·맵시(c)·바닥(b)·꼭대기(t) 등 6개의 쿼크 중 세 번째로 무거운 기묘 쿼크를 포함한 입자다.

인하대 윤진희 교수를 비롯해 국내 연구진 45명이 참여하고 있는 대형이온충돌실험에는 45개국 300여명이 넘는 과학자가 공동 연구 중이다. 

과학자들은 밀도가 높고 뜨거웠을 태초의 우주가 대폭발해 팽창우주가 됐을 것이라고 예측한다. 

ALICE는 빅뱅 이후 초기 우주 '쿼크-글루온 플라즈마(초고온, 초고압에서 쿼크와 글루온들이 액체와 같은 자유도를 가질 것이라 예측되는 상태)'를 연구하기 위해 대형강입자충돌기를 이용해 중이온을 충돌시키는 실험이다. 

기존에는 양성자-양성자, 납핵-납핵과 같이 충돌 시스템의 차이에 대해서만 분석을 진행했다. 이는 굉장히 짧은 시간에 짧은 진동으로 일어나며 안정적인 입자만 측정이 가능하다. 

이에 연구팀은 양성자-양성자 충돌실험에서 기묘입자들의 양을 멀티플리시티에 대해 측정하고 각 기모입자들의 파이온(π)에 대한 상대량을 구했다. 이 값은 충돌시스템의 규모에 따라 증가했는데, 기묘쿼크를 많이 가진 입자일수록 급격하게 나타났다고 연구팀은 설명했다. 

기존의 납핵-납핵 충돌뿐 아니라 양성자-양성자 충돌에서도 기묘입자들의 생성량이 증가한다는 사실을 밝혀 낸 것이다. 

이번 연구결과는 양성자충돌에서도 쿼크-글루온 플라즈마와 같은 새로운 물질상태가 생성될 수 있다는 기묘입자 증가의 원인에 대한 연구를 우주 초기상태 물질과 쿼크-글루온 플라즈마의 특성 연구에 대한 새로운 이정표를 제시한 것으로 기대된다. 

연구팀 중 한국 연구자들은 기묘입자 생성량을 비롯해 각 쿼크의 질량이나 함량에 따라 변하는 신호(생성량이나 집단운동)들을 분석해 초기 우주 물질 상태와 상호작용을 연구했다. 

윤진희 교수는 "이번 연구에서 한국 연구진은 기묘쿼크를 2개 포함하는 크사이(Ξ) 입자를 재구성해 운동량에 따른 생성량 분포를 계산했다"며 "양성자-양성자 충돌 외에 다른 시스템의 충돌에서도 기묘입자의 생성량을 밝히는 데 결정적인 역할을 할 것으로 기대된다"고 말했다. 

이번 연구는 미래창조과학부·한국연구재단이 지원하는 한국-CERN 국제협력사업, 기초연구실험데이터글로벌허브구축사업으로 수행됐다. 또 CERN의 ALICE 실험 전체 컴퓨팅 인프라의 10%를 담당하고 있는 한국과학기술정보연구원(KISTI)의 컴퓨팅 인프라가 활용됐다. 

연구성과는 물리학 분야 국제 학술지인
'네이처 피직스(Nature Physics)' 6월호 표지논문으로 실렸다. 

 대형이온충돌실험(ALICE, 앨리스) 장치 개요. <자료=한국연구재단 제공 >
대형이온충돌실험(ALICE, 앨리스) 장치 개요. <자료=한국연구재단 제공>