양성자 내부, '상상할 수 있는 가장 복잡한 것'

어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford)가 모든 원자의 중심에서 양전하를 띤 입자를 발견한 지 한 세기가 넘었지만 물리학자들은 여전히 ​​양성자를 완전히 이해하기 위해 고군분투하고 있습니다.

고등학교 물리학 교사들은 그것들을 양전하가 한 단위씩 있는 특징 없는 공으로 묘사합니다. 음전하를 띤 전자 주변에서 윙윙거리는 완벽한 포일입니다. 대학생들은 공이 실제로 쿼크라고 불리는 세 개의 기본 입자 묶음이라는 것을 배웁니다. 그러나 수십 년에 걸친 연구를 통해 단어나 이미지로 완전히 포착하기에는 너무 기이한 더 깊은 진실이 밝혀졌습니다.

"이것은 당신이 상상할 수 있는 가장 복잡한 것입니다." 마이크 윌리엄스, 매사추세츠 공과 대학의 물리학자. “사실, 그것이 얼마나 복잡한지 상상조차 할 수 없습니다.”

양성자는 실험이 강제로 구체적인 형태를 취할 때까지 확률의 안개로 존재하는 양자 역학 물체입니다. 그리고 그 형태는 연구자가 실험을 어떻게 설정했는지에 따라 크게 다릅니다. 입자의 여러 면을 연결하는 것은 여러 세대의 작업이었습니다. "우리는 이 시스템을 완전히 이해하기 시작했습니다."라고 말했습니다. 리차드 밀너, MIT 핵물리학자.

추적이 계속되면서 양성자의 비밀이 계속해서 폭로되고 있습니다. 가장 최근에는 기념비적인 데이터 분석 XNUMX월에 발표된 연구에 따르면 양성자는 양성자 자체보다 무거운 매력 쿼크(charm quark)라는 입자의 흔적이 포함되어 있습니다.

Williams는 양성자가 "인간에게 겸손해졌습니다."라고 말했습니다. "당신이 그것을 다룰 수 있다고 생각할 때마다 그것은 당신에게 약간의 커브를 던집니다."

최근 Milner는 Jefferson Lab의 Rolf Ent, MIT 영화 제작자 Chris Boebel, Joe McMaster, 애니메이터 James LaPlante와 함께 수백 가지 실험의 결과를 모은 일련의 신비한 플롯을 모양의 애니메이션 시리즈로 변환하기 시작했습니다. - 이동하는 양성자. 우리는 그 비밀을 밝히기 위해 그들의 애니메이션을 우리 자신의 시도에 통합했습니다.

크래킹 오픈 양성자

양성자가 다수를 포함하고 있다는 증거는 1967년 SLAC(Stanford Linear Accelerator Center)에서 나왔습니다. 초기 실험에서 연구자들은 전자를 던지고 당구공처럼 튕겨 나가는 것을 관찰했습니다. 그러나 SLAC는 전자를 더 강력하게 던질 수 있으며 연구자들은 전자가 다르게 반사되는 것을 확인했습니다. 전자는 양성자를 산산조각낼 만큼 충분히 세게 쳤고(깊은 비탄성 산란이라고 하는 과정) 쿼크라고 하는 양성자의 점 같은 파편에서 되튀었습니다. "그것은 쿼크가 실제로 존재한다는 첫 번째 증거였습니다."라고 말했습니다. 정 샤오차오, 버지니아 대학의 물리학자.

1990년 노벨 물리학상을 수상한 SLAC의 발견 이후, 양성자에 대한 조사가 강화되었습니다. 물리학자들은 지금까지 수백 번의 산란 실험을 수행했습니다. 그들은 얼마나 세게 포격하는지 조정하고 여파로 수집하는 흩어진 입자를 선택하여 물체 내부의 다양한 측면을 추론합니다.

더 높은 에너지의 전자를 사용함으로써 물리학자들은 표적 양성자의 더 미세한 특징을 찾아낼 수 있습니다. 이러한 방식으로 전자 에너지는 심층 비탄성 산란 실험의 최대 분해능을 설정합니다. 더 강력한 입자 충돌기는 양성자를 더 선명하게 보여줍니다.

고 에너지 충돌기는 또한 더 넓은 충돌 결과를 생성하여 연구자가 분석할 나가는 전자의 다른 하위 집합을 선택할 수 있도록 합니다. 이러한 유연성은 서로 다른 양의 운동량으로 양성자 내부에 관심을 갖는 쿼크를 이해하는 열쇠임이 입증되었습니다.

흩어진 각 전자의 에너지와 궤도를 측정함으로써 연구자들은 그것이 양성자의 전체 운동량의 큰 덩어리를 운반하는 쿼크를 흘려보냈는지 아니면 단지 작은 입자인지 알 수 있습니다. 반복되는 충돌을 통해 그들은 인구 조사와 같은 것을 할 수 있습니다. 양성자의 운동량이 대부분 몇 개의 쿼크에 묶여 있는지 아니면 많은 쿼크에 분포되어 있는지를 결정하는 것입니다.

SLAC의 양성자 분열 충돌조차도 오늘날의 표준에 따르면 완만했습니다. 이러한 산란 사건에서 전자는 종종 양성자의 총 운동량의 1964/XNUMX을 운반하는 쿼크와 ​​충돌했음을 암시하는 방식으로 방출되었습니다. 이 발견은 XNUMX년에 양성자가 XNUMX개의 쿼크로 구성되어 있다고 가정한 Murray Gell-Mann과 George Zweig의 이론과 일치했습니다.

Gell-Mann과 Zweig의 "쿼크 모델"은 양성자를 상상하는 우아한 방법으로 남아 있습니다. 그것은 각각 +2/3의 전하를 갖는 1개의 "업" 쿼크와 -3/1의 전하를 갖는 하나의 "다운" 쿼크를 가지고 있어 총 양성자 전하가 +XNUMX입니다.

그러나 쿼크 모델은 심각한 단점이 있는 지나친 단순화입니다.

예를 들어, 각운동량과 유사한 양자 특성인 양성자의 스핀에 관해서는 실패합니다. 양성자는 각각의 업 쿼크와 다운 쿼크와 마찬가지로 1988/XNUMX 단위의 스핀을 가지고 있습니다. 물리학자들은 처음에 단순 전하 산술을 반영하는 계산에서 두 개의 업 쿼크의 절반 단위에서 다운 쿼크의 절반 단위를 뺀 값이 전체 양성자의 절반 단위와 같아야 한다고 가정했습니다. 그러나 XNUMX년 유럽 뮤온 콜라보레이션(European Muon Collaboration) 신고 쿼크 스핀의 합은 1/XNUMX보다 훨씬 적습니다. 유사하게, 두 개의 업 쿼크와 한 개의 다운 쿼크의 질량은 양성자 전체 질량의 약 XNUMX%만 구성합니다. 이러한 결핍은 물리학자들이 이미 인식하게 된 점을 집으로 몰아넣었습니다. 양성자는 XNUMX개의 쿼크보다 훨씬 더 많습니다.

XNUMX개 이상의 쿼크

1992년부터 2007년까지 독일 함부르크에서 운영된 HERA(강입자-전자 고리 가속기)는 SLAC보다 약 0.005배 더 강력하게 전자를 충돌시켜 양성자로 만들었습니다. HERA 실험에서 물리학자들은 양성자의 총 운동량의 XNUMX%만큼 적게 운반하는 쿼크를 포함하여 극도로 낮은 운동량 쿼크에서 튕겨 나온 전자를 선택할 수 있었습니다. HERA의 전자는 저운동량 쿼크와 반물질 대응물인 반쿼크의 소용돌이에서 반발했습니다.

결과는 당시 겔만과 츠바이크의 쿼크 모델을 대체했던 정교하고 기이한 이론을 확인시켜주었다. 1970년대에 개발된 쿼크 사이에 작용하는 '강력'에 대한 양자론이다. 이론은 쿼크가 글루온이라고 불리는 힘을 운반하는 입자에 의해 함께 묶여 있다고 설명합니다. 각 쿼크와 각 글루온은 빨간색, 녹색 및 파란색으로 표시된 세 가지 유형의 "색" 전하 중 하나를 가지고 있습니다. 이 색상으로 대전된 입자는 자연스럽게 서로 잡아당겨서 양성자와 같은 그룹을 형성하고 색상을 합하면 중성 흰색이 됩니다. 다채로운 이론은 양자 색역학 또는 QCD로 알려지게 되었습니다.

QCD에 따르면 글루온은 순간적인 에너지 스파이크를 포착할 수 있습니다. 이 에너지로 글루온은 쌍이 소멸되고 사라지기 전에 쿼크와 반쿼크로 나뉘며 각각은 약간의 운동량을 가지고 있습니다. 더 작은 에너지 스파이크는 더 짧은 수명을 갖는 더 낮은 운동량을 가진 쿼크 쌍을 생성합니다. 더 낮은 운동량 입자에 대한 감도가 더 높은 HERA가 직접 감지한 것은 바로 이 글루온, 쿼크 및 반쿼크의 "바다"입니다.

HERA는 또한 더 강력한 충돌기에서 양성자가 어떻게 보일지에 대한 힌트를 얻었습니다. 물리학자들이 저운동량 쿼크를 찾기 위해 HERA를 조정함에 따라 글루온에서 유래한 이러한 쿼크는 점점 더 많이 나타났습니다. 결과는 더 높은 에너지 충돌에서 양성자가 거의 완전히 글루온으로 구성된 구름으로 나타날 것이라고 제안했습니다.

글루온 민들레는 정확히 QCD가 예측하는 것입니다. "HERA 데이터는 QCD가 자연을 설명한다는 직접적인 실험적 증거입니다."라고 Milner가 말했습니다.

그러나 젊은 이론의 승리는 쓰라린 알약과 함께 왔다. QCD는 HERA의 극단적인 충돌에 의해 밝혀진 수명이 짧은 쿼크와 글루온의 춤을 아름답게 묘사했지만 이론은 SLAC의 부드러운 포격에서 볼 수 있는 세 가지 오래 지속되는 쿼크를 이해하는 데 쓸모가 없습니다.

QCD의 예측은 강한 힘이 상대적으로 약한 경우에만 이해하기 쉽습니다. 그리고 강한 힘은 쿼크가 단명한 쿼크-반쿼크 쌍에 있기 때문에 쿼크가 매우 가까이 있을 때만 약해집니다. Frank Wilczek, David Gross 및 David Politzer는 1973년에 QCD의 이러한 정의적인 특징을 확인하고 31년 후 노벨상을 수상했습니다.

그러나 양성자가 서로 거리를 유지하는 XNUMX개의 쿼크처럼 작용하는 SLAC와 같은 더 부드러운 충돌의 경우 이러한 쿼크는 QCD 계산이 불가능할 정도로 충분히 서로를 끌어당깁니다. 따라서 양성자에 대한 XNUMX쿼크 관점을 더 자세히 설명하는 작업은 주로 실험가들에게 맡겨졌습니다. (QCD 예측이 슈퍼컴퓨터에서 시뮬레이션되는 "디지털 실험"을 실행하는 연구원들도 주요 기여.) 그리고 물리학자들이 계속해서 놀라움을 찾는 것은 이 저해상도 사진입니다.

매력적인 새로운 시각

최근에 팀이 이끄는 후안 로조 네덜란드 국립 아원자 물리학 연구소(National Institute for Subatomic Physics)와 암스테르담 VU 대학(VU University Amsterdam)의 연구팀은 이론적인 추측을 피하는 방식으로 양성자 내부의 쿼크와 글루온의 움직임을 추론하기 위해 기계 학습을 사용하여 지난 5,000년 동안 촬영한 50개 이상의 양성자 스냅샷을 분석했습니다.

 새로운 조사는 과거 연구원들이 빠져나간 이미지에서 배경 흐림을 포착했습니다. 상대적으로 부드러운 충돌에서 양성자를 겨우 깨뜨리기만 하면 대부분의 운동량은 일반적인 세 ​​개의 쿼크, 즉 두 개의 업과 다운에 갇혔습니다. 그러나 소량의 운동량은 "매력" 쿼크와 매력 안티쿼크(각각 전체 양성자보다 XNUMX분의 XNUMX 이상 무게가 나가는 거대한 소립자)에서 비롯된 것으로 보입니다.

단기적인 매력은 양성자의 "쿼크 바다" 보기에서 자주 나타납니다(글루온은 충분한 에너지가 있는 경우 XNUMX가지 다른 쿼크로 나눌 수 있음). 그러나 Rojo와 동료들의 결과에 따르면 매력이 더 영구적으로 존재하여 더 부드러운 충돌에서도 감지할 수 있습니다. 이러한 충돌에서 양성자는 여러 상태의 양자 혼합물 또는 중첩으로 나타납니다. 전자는 일반적으로 세 개의 가벼운 쿼크와 만납니다. 그러나 그것은 때때로 한 쪽에 그룹화된 업, 다운 및 참 쿼크와 다른 쪽에 그룹화된 업 쿼크 및 매력 안티쿼크와 같이 XNUMX개의 쿼크로 이루어진 더 희귀한 "분자"를 만날 것입니다.

양성자의 구성에 대한 그러한 미묘한 세부 사항은 결과적일 수 있습니다. 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)에서 물리학자들은 고속 양성자를 함께 부딪치고 튀어나오는 것을 관찰하여 새로운 기본 입자를 찾습니다. 결과를 이해하려면 먼저 양성자에 무엇이 들어 있는지 알아야 합니다. 거대한 매력 쿼크의 이따금 출현은 확률을 버리다 더 이국적인 입자를 만드는 것.

그리고 우주선이라고 불리는 양성자가 우주 공간에서 여기로 돌진하여 지구의 대기에 있는 양성자와 충돌할 때, 적절한 순간에 나타나는 매력 쿼크는 지구에 여분의 에너지 중성미자, 연구자들은 2021년에 계산했습니다. 이는 관찰자를 혼란스럽게 할 수 있습니다. 수색 우주를 가로질러 오는 고에너지 중성미자를 위해.

Rojo의 협업은 매력 쿼크와 반쿼크 사이의 불균형을 찾아 양성자 탐사를 계속할 계획입니다. 그리고 탑 쿼크와 같은 더 무거운 구성 요소는 훨씬 더 희귀하고 감지하기 어려운 모양을 만들 수 있습니다.

차세대 실험은 아직 알려지지 않은 기능을 더 많이 찾을 것입니다. 브룩헤이븐 국립 연구소(Brookhaven National Laboratory)의 물리학자들은 2030년대에 전자-이온 충돌기(Electron-Ion Collider)를 작동시키고 HERA가 중단한 부분을 선택하여 양성자의 최초 3D 재구성을 가능하게 할 고해상도 스냅샷을 찍기를 희망합니다. EIC는 또한 SLAC와 HERA가 운동량을 매핑한 것처럼 회전하는 전자를 사용하여 내부 쿼크와 글루온의 스핀에 대한 상세한 지도를 생성합니다. 이것은 연구자들이 마침내 양성자 스핀의 기원을 찾아내고 우리 일상 세계의 대부분을 구성하는 방해하는 입자에 대한 다른 근본적인 질문을 해결하는 데 도움이 될 것입니다.