LHC 충돌에서 '쿼크 합체' 증거 발견

LHC 충돌에서 '쿼크 합체' 증거 발견

타임 스탬프 : 6 년 2024 월 10 일 오전 31시 XNUMX 분


CERN의 LHCb
쿼크 코어레서(Quark Coalescer): LHCb 실험은 몇 년 전에 업그레이드되었습니다. (제공: 막시밀리앙 브라이스/CERN)

LHCb 실험에 참여하는 물리학자들은 LHC(Large Hadron Collider)에서 양성자 충돌 후 쿼크가 강입자로 진화하는 데 "쿼크 합체"가 중요한 역할을 한다는 증거를 확인했습니다. 1980년대에 처음 제안된 이 메커니즘은 새로운 쿼크를 생성하는 것이 아니라 기존 쿼크가 중첩되는 파동함수로 결합되는 방식입니다. 이는 낮은 횡단 운동량에서 가장 뚜렷하며, 쿼크가 충돌 지점에서 빠르게 빠져나가면서 점차 꺼집니다.

쿼크는 원자핵 내부의 양성자와 중성자를 구성하는 입자와 강한 상호작용을 느끼는 수많은 다른 강입자(무거운 입자)입니다. 이들의 가장 이상한 특징 중 하나는 단독으로 관찰할 수 없다는 것입니다. 주된 이유는 거리에 따라 강도가 감소하는 중력, 전자기학 및 약한 상호작용과 달리, 결합된 쿼크가 더 멀리 이동함에 따라 강한 상호작용의 효과가 커지기 때문입니다. 쿼크가 충분히 멀리 떨어져 있으면 강한 상호작용을 매개하는 글루온 장은 입자-반입자 쌍을 생성하기에 충분한 에너지를 포함합니다. 이들은 원래 쿼크에 결합하여 중간자(쿼크 하나와 반쿼크 하나의 조합) 또는 중입자(쿼크 세 개로 구성)가 될 수 있는 새로운 결합 입자를 생성합니다. 이 프로세스를 조각화라고 합니다.

그러나 중이온 충돌과 관련된 실험에서는 이것이 전부가 아니라는 사실을 시사했습니다. 물리학자들은 쿼크가 유착이라고 불리는 과정에서 이러한 큰 입자를 서로 충돌시켜 형성된 조밀한 쿼크-글루온 플라즈마에서 결합할 수도 있다고 믿습니다.

"충돌이 발생하면 서로 멀어지기 시작하는 쿼크-반쿼크 쌍이 많이 만들어집니다. 그리고 파동-입자 이중성으로 인해 각 입자는 그것이 얼마나 큰지 알려주는 파장을 갖습니다."라고 Matt Durham은 설명합니다. Los Alamos National Laboratory 미국에서는 LHCb 협력 회원입니다.

기존 쿼크가 결합

“서로 겹치는 세 개의 쿼크가 있다면 이들을 함께 동결시켜 중입자로 만듭니다. 두 개의 쿼크가 겹치면 중간자로 동결됩니다. 다른 쿼크와 겹치지 않는 쿼크가 있다면 단편화되어야 합니다.”라고 Durham은 설명합니다. “그래서 융합은 충돌에서 생성된 쿼크를 가져와서 서로 붙입니다. 조각화를 위해서는 진공 상태에서 새로운 쿼크를 만들어야 합니다.”

중이온 충돌에서의 유착은 "일반적으로 받아들여졌다"고 Durham은 말합니다. 그 이유는 실험에서 생성된 양성자와 파이온의 비율을 설명하기가 어렵기 때문입니다. 그러나 중이온 충돌은 혼란스럽고 이론적 예측은 필연적으로 부정확합니다. 새로운 연구에서 LHCb 팀은 양성자-양성자 충돌에서 b 쿼크 생성을 연구했습니다. 바닥 쿼크 또는 뷰티 쿼크라고도 불리는 b 쿼크는 입자 물리학의 표준 모형에서 두 번째로 질량이 큰 쿼크입니다.

b 쿼크의 생성은 b-람다 중입자 또는 B 쿼크를 생성하는 것이 거의 확실합니다.0 중간자, 둘 다 ab 쿼크를 포함합니다. 이 둘 사이의 생산 비율은 b 쿼크가 전자-양전자 충돌에 의해 생성되는 실험에서 광범위하게 연구되었습니다. 이는 단편화로만 이어질 수 있는 과정입니다. Durham은 “단편화만 있는 경우 이 비율은 보편적이어야 합니다.”라고 말합니다.

LHCb 팀은 양성자-양성자 충돌에 대한 수년간의 데이터를 조사하고 b 쿼크를 생성한 충돌로 인한 붕괴 생성물을 연구했습니다. 충돌하는 빔에 비해 높은 횡 운동량과 동시에 감지되는 다른 나가는 입자가 거의 없는 충돌의 경우 중입자 대 중간자 비율은 전자-양전자 실험의 비율과 거의 동일했습니다.

더 많은 중입자

그러나 횡운동량이 감소하고 동시에 검출된 다른 입자의 수가 증가함에 따라 중입자의 비율은 중간자 비율에 비해 점차 증가했습니다. 연구원들은 이것이 중입자를 생성할 가능성이 더 높은 또 다른 과정이 이러한 충돌에서 작용하고 있다는 분명한 증거라고 결론지었습니다. 이 시나리오에서 b 쿼크는 다른 쿼크로 둘러싸여 있지만 생성된 쿼크가 다른 입자와 더 많이 분리됨에 따라 점점 더 선호되지 않게 되었습니다. Durham은 "이를 설명하려면 융합이 필요합니다"라고 덧붙였습니다. "내 생각에 우리는 여기서 그것을 확실히 보여주었다고 생각합니다."

이론가는 "나는 확실히 데이터가 설득력이 있다고 생각합니다"라고 말합니다. 랄프 랩 텍사스 A&M 대학교; “예전에는 아주 작은 시스템, 즉 극단적인 경우 쿼크-반쿼크 쌍이 하나만 있는 전자-양전자 시스템과 수천 개의 쿼크가 있는 중이온 시스템 사이에 단절이 있었습니다. 그들이 실제로 주장하는 방식은 얼마나 많은 하드론이 관찰되는지에 따라 효과가 어떻게 사라지고 전자-양전자 한계를 회복하는지 체계적으로 보여주는 것입니다. 이는 결합할 쿼크와 반쿼크의 수를 측정하는 관찰 가능한 방법입니다."

실험주의자 안셀름 보센 노스 캐롤라이나에 있는 듀크 대학의 연구진은 이 작업이 "매우 훌륭하다"는 데 동의하지만, 조각화 비율을 계산하는 데 사용된 기본 가정은 분리된 쿼크와 관련되어 있으므로 이 작업이 수행될 때 낮은 횡 운동량에서 잘못된 결과를 제공하는 것은 놀라운 일이 아닐 것입니다. 그렇지 않습니다. “이 사람들은 모두 모델이에요.”라고 그는 말합니다. "유착 모델에서 무언가를 사용하면 효과가 있다는 것은 매우 암시적이지만 이것이 '진실'이라는 의미는 아닙니다."

연구는 다음에 설명되어 있습니다. 피지컬 리뷰 레터스 (Physical Review Letters).

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