CERN LHC, 산소·네온 충돌로 빅뱅 직후 물질 ‘쿼크-글루온 플라즈마 (QDP)’ 생성 증거 확인
- Alice, ATLAS, CMS, LHCb 등 대형강입자가속기(LHC)의 4개 주요 실험팀은 각각 독립적인 분석을 통해 QGP* 형성 징후를 관측했다고 발표함
* 태양 중심부보다 10만 배 이상 높은 온도와 극한의 압력에서 형성되는 물질 상태로, 양성자와 중성자를 이루는 쿼크와 글루온이 분리된 상태를 말함
- 과학자들은 빅뱅 직후 수백만 분의 1초 동안 우주가 이러한 상태였던 것으로 추정하고 있으며, 현재는 LHC의 고에너지 핵 충돌 실험을 통해 이를 재현 및 연구함
가벼운 원자핵 충돌에서도 QGP 생성 가능성 확인
- 기존에는 납과 같은 무거운 원자핵을 충돌시켜야만 QGP가 생성된다고 여겨졌지만, 최근 이러한 통설이 바뀌고 있음
- ALICE는 올해 초 양성자-양성자 및 양성자-납 충돌에서도 QGP 형성 징후를 보고했으며, 지난해에는 산소-산소 충돌에서 최초의 단서를 발견함
- 이번 연구에서는 산소뿐 아니라 네온-네온 충돌에서도 여러 독립적인 QGP 생성 신호가 확인됐음
입자 에너지 손실 통해 QGP 존재 확인
- QGP의 대표적인 특징은 빠르게 이동하는 쿼크와 글루온이 고온 및 고밀도 매질을 통과하면서 에너지를 잃는 '파트론 에너지 손실(Parton Energy Loss)' 현상임
- ATLAS 연구진은 산소·네온 충돌에서 입자 제트의 에너지 손실이 충돌 규모에 비례해 증가하는 것을 확인했으며, 이는 더 큰 QGP가 형성된다는 기존 이론과 일치함
- CMS와 LHCb도 각각 고에너지 하전입자와 참 쿼크(charm quark) 포함 입자의 생성 억제를 관측했으며, 특히 네온 충돌에서 억제 현상이 더 뚜렷하게 나타남
- ALICE 역시 산소-산소와 양성자-산소 충돌을 비교해 입자 생성 감소가 QGP에 의한 에너지 손실 때문임을 명확히 입증함
입자 흐름과 중입자 억제 현상도 QGP 형성 뒷받침
- QGP 존재를 보여주는 또 다른 지표는 무거운 쿼크와 반쿼크로 이루어진 입자(예: 업실론 중간자)의 생성 억제 현상임
- CMS는 산소·네온 충돌에서 결합력에 따라 업실론 중간자의 억제 정도가 달라지는 현상을 확인했으며, LHCb도 양성자-산소 및 산소-산소 충돌에서 유사한 결과를 관측함
- ALICE는 중입자가 중간자보다 특정 방향으로 더 강하게 방출되는 비등방성 흐름을 관측했으며, 이를 QGP 형성의 대표적 특징으로 해석함
고휘도 LHC 통해 QGP 연구 더욱 확대
- 연구진은 현재도 산소·네온 충돌 데이터를 추가 분석하며 QGP 형성 여부를 정밀하게 검증하고 있음
- 한편, CERN은 LHC를 고휘도 LHC(HL-LHC)로 업그레이드해 더 많은 충돌 데이터를 확보하고 빅뱅 직후 물질 상태와 강한 핵력의 특성을 더욱 정밀하게 규명할 예정임
