권민정 교수가 이끈 ALICE 한국팀, 세계 최...
강한상호작용의 근본적인 특성을 밝히는 데드콘 직접 관측
우주 탄생의 비밀 밝히는 국제 공동프로젝트 ALICE 한국팀의 성과
세계적인 학술지 ‘네이처’ 등재
권민정 물리학과 교수가 한국대표로 참여하고 있는 ALICE 국제공동연구팀이 ‘데드콘(dead cone)’ 효과를 세계 최초로 직접 관측했다. 해당 연구결과는 세계적인 국제학술지 ‘네이처(Nature)’에 게재됐다.
ALICE(A Large Ion Collider Experiment) 연구팀은 거대강입자가속기(LHC)로 수년간 축적한 양성자 충돌 데이터에 정교한 최첨단 분석기술을 적용해 강한상호작용을 설명하는 이론의 근본적 특성인 데드콘 효과를 직접 관측하는 데 성공했다.
강한상호작용을 설명하는 표준모형 이론인 양자색소역학에 따르면 입자가 충돌할 때 생성되는 기본 입자인 파톤(쿼크, 글루온)은 더 낮은 에너지의 파톤을 연속적으로 방사하며 진행한다. 이를 파톤 샤워(shower)라 부른다. 이 파톤 샤워에서 글루온이 방사되지 않는 빈 영역이 생기는데, 이 부분이 데드콘이다. 그간 데드콘은 양자색소역학의 기본 방정식을 통해 간접적으로만 예측됐을 뿐이었다.
연구팀은 데드콘을 직접 관측하기 위해 독창적인 데이터 분석방법을 개발함으로써 세계 최초로 데드콘을 직접 관측했다. 시간을 거슬러 올라가며 파톤 샤워의 패턴을 조사해 데드콘의 존재를 직접적으로 입증한 것이다. 또한 강입자에 속박되지 않은 맵시 쿼크(charm quark)가 유한한 질량을 갖고 있다는 사실도 확인했다.
ALICE는 유럽핵입자물리연구소(CERN)에서 진행 중인 거대강입자가속기를 이용한 국제 공동프로젝트 중 하나다. 40개국 192개 기관에 소속된 1,900여 명의 연구자들이 여기에 참여하고 있다. ALICE 외에도 ATLAS, CMS, LHCb의 4개 프로젝트가 운영되고 있다. CERN은 세계 최대의 입자 물리학 연구소로, 우주 초기 물질의 생성과정과 상호작용을 밝혀 우주 진화과정을 예측하고자 설립됐다.
ALICE에 참여하는 한국팀은 현재 9개 기관의 연구자 46명으로 구성됐다. 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 유럽핵입자물리연구소 협력사업의 지원을 받아 연구를 수행하고 있다. 이번 연구에는 본교 물리학과 권민정·윤진희 교수, 복정수·비트 쿠체라(Vit Kucera)·박종한·조소연·권지연·서진주 연구원 등 9개 기관 28명의 연구자가 공동으로 참여했다.
한국팀 대표를 맡은 권민정 물리학과 교수는 “LHC에서 얻은 값진 양성자 충돌 데이터와 매우 정교한 데이터 분석 방법을 이용해 마침내 데드콘의 존재를 밝혀낼 수 있었다”라며 “연구팀이 고안한 독창적인 분석방법은 쿼크의 질량을 직접 측정하는 연구의 새로운 길을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다”라고 강조했다.
맵시 쿼크가 파톤 샤워 과정을 통해 글루온을 방사하며 에너지를 잃는 모습을 상상한 그림. 글루온이 방사되지 않는 사각지대인 ‘데드콘’을 원뿔로 도식화했다.(출처=CERN ALICE)
▲ 맵시 쿼크가 파톤 샤워 과정을 통해 글루온을 방사하며 에너지를 잃는 모습을 상상한 그림.
글루온이 방사되지 않는 사각지대인 ‘데드콘’을 원뿔로 도식화했다.(출처=CERN ALICE)