[지식더하기]원자 중심, 그 35년간의 미스테리를 풀다

2019년 6월 2일 업데이트됨


1983년부터 시작되는 신비한 미스테리

우리가 살고 있는 세상, 그 많은 것들은 모두 알다시피 원자라고 불리는 매우 작은 입자로 구성되어 있습니다. 그리고 또 원자는 원자핵과 원자핵의 주위를 돌아다니는 전자라고 불리는 질량이 거의 없고 음전하를 띄는 입자로 구성되어 있습니다. 또 원자핵은 역시 질량이 작고 양전하를 띄는 양성자와 양성자와 질량이 비슷하지만 아주 조금 더 크고 전하를 띄지 않는 입자인 중성자로 구성되어 있습니다.

양성자와 중성자는 넓디넓은 우주를 자유롭게 떠다닐 때와는 다르게, 원자 안에 있을 때는 다르게 행동합니다. 또한 그 둘 모두 자연적으로 존재하는 4가지 힘 중 가장 강력한 힘인 "강한 핵력"에 의해 결합되는 쿼크라고 불리는 작은 입자 세 개로 구성되어 있습니다. 쿼크들은 일단 원자핵에 갇히게 되면 엄청나게 속도가 느려집니다. 또한 그 둘 모두 강력한 힘에 의해 결합되는 쿼크라고 불리는 세 개의 작은 입자로 구성되어 있습니다. 물리학자들은 정말 쿼크가 느려지는 이 현상이 반갑지 않았습니다. 왜냐하면 양성자와 중성자는 원자 안에 있든 없든 간에 각각 양성자와 중성자이기 때문입니다. 이는 그때 당시 말이 되지 않던 현상이었고 이 때문에 수많은 물리학자들이 연구에 들어갔습니다.



물리학의 가장 큰 미해결 미스터리: EMC 효과

"쿼크를 핵에 넣으면, 쿼크는 느리게 움직이기 시작합니다. 이는 상당히 신기한 현상입니다."

매사추세츠 공과대학의 물리학자 오 헨이 말했습니다. "왜냐하면 쿼크들 사이의 강력한 상호작용은 주로 그들의 속도를 결정하는데, 핵을 묶는 힘은 매우 약함에도 불구하고 쿼크는 느리게 움직이기 때문입니다." 라고 오 헨은 덧붙였습니다. 또한 핵에 있는 쿼크의 행동을 그렇게 격렬하게 변화시킬 수 있는 다른 힘은 알려져 있지 않습니다. 하지만, 쿼크는 핵 안에서 속도가 느려집니다. 입자 물리학자들은 이것을 이 효과를 발견한 "유럽 뮤온 협업(European Muon Collaboration)"의 이름을 따 EMC 효과라고 부릅니다. 그리고 최근까지도 과학자들은 EMC 효과의 원인을 확신하지 못했었습니다. 또 오 헨은 "핵 안에 있는 두 입자는 일반적으로 입자의 에너지 측정치인 약 800만 전자 볼트(8MeV)의 힘에 의해 함께 당겨집니다. 양성자 또는 중성자 내부의 쿼크는 약 1,000 MeV에 의해 결합됩니다. 따라서 상대적으로 작은 핵의 상호작용이 쿼크 내부의 강력한 상호작용에 큰 영향을 미친다는 것은 말이 되지 않습니다."라고 말했습니다.


<사진>양성자와 중성자는 모두 쿼크라고 불리는 매우 작은 입자로 구성되어 있다.

진실을 밝혀내기 위한 수많은 노력들

이론물리학자들은 EMC 효과가 왜 일어나고 있는지 설명하기 위해 많은 모델들을 고안했습니다. "제 친구 중 한 명은 EMC 효과를 설명하기 위해 만들어진 모델이 멋지다고 하였습니다. 모든 모델이 EMC 효과를 설명할 수 있을 것 같았기 때문입니다."라고 오 헨이 말했습니다. 하지만 시간이 흐르면서 많은 물리학자들은 수많은 모델들을 실험했고, 하나씩 모델들은 떨어져 나갔습니다. 결국 35년 후에야 EMC 효과의 원인이 밝혀졌습니다.

연구팀은 수많은 연구를 통해 얻은 데이터를 통해 EMC 효과가 한 핵에서 다른 핵으로 어떻게 작용하는지를 정확하게 설명하는 수학적 함수를 도출했습니다. "그들(논문의 저자들)은 예측을 했고, 그 예측은 어느 정도 확인되었습니다,"George Washington 대학의 물리학자 Geald Feldman 교수는 말했습니다.






EMC 효과의 원인


대부분, 핵에 있는 양성자와 중성자는 서로 겹치지 않습니다. 하지만 가끔씩 양성자와 중성자(핵자)들은 핵 안에서 연결되어 서로 짧게 겹치기 시작하고, 과학자들이 "관련된 핵자 쌍"이라고 부르는 것이 됩니다. 어느 순간, 핵 안에 있는 핵자의 약 20%는 이런 식으로 중첩됩니다. 그렇게 되면 쿼크들 사이에 엄청난 양의 에너지가 흘러들어갑니다. 이 후 강한 핵력은 그들의 경계 구조와 특성을 근본적으로 변화 시킵니다. 따라서 에너지 흐름이 EMC 효과의 원인이라고 할 수 있습니다.

연구팀은 수많은 핵에 전자를 퍼부어 보았고, 이 "관련된 핵자 쌍"과 EMC 효과 사이에 직접적인 관계를 발견했습니다. 오 헨은 "연구팀의 자료에 따르면 대부분의 핵에 있는 쿼크는 핵에 들어갈 때 전혀 변하지 않는다. 하지만 약 20%의 '관련된 핵자 쌍'은 핵의 행동을 매우 극한적으로 변화시켜 어떤 실험에서도 평균적인 결과를 왜곡시킨다." 고 말했습니다. EMC 효과는 모든 양성자와 중성자의 행동을 변화시키는 것이 아니라 단지 소수의 변칙에 의한 결과인 것입니다.



그 후

EMC 효과가 발견된 지 35년 후, 입자 물리학자들은 정말 좋은 해결책으로 EMC 효과의 원인을 알아내었던 것 같습니다. 오 헨 교수와 그 동료들은 이미 EMC 효과를 훨씬 더 깊이 조사하기 위한 후속 실험을 계획하고 있으며, 원자 내부의 쌍방향 핵의 행동에 대한 새로운 알려지지 않은 진실을 밝혀내고 있습니다.

그 진실을 밝혀내는 데에도 역시 수많은 시간들이 걸리지 않을까요...



필요한 피직스 2019 여름호


작성자:19-016 김민준

분야: 양자역학


참고문헌:

[1] https://www.scientificamerican.com/article/physicists-solve-a-35-year-old-mystery-hidden-inside-atomic-cores/?redirect=1

[2] https://cerncourier.com/the-emc-effect-still-puzzles-after-30-years/

[3] https://www.nature.com/articles/s41586-019-0925-9


이미지:

[1] https://www.scientificamerican.com/article/physicists-solve-a-35-year-old-mystery-hidden-inside-atomic-cores/?redirect=1

[2] http://lovescience.pe.kr/Themepark/particles/quarklepton.htm

[3] https://bonlivre.tistory.com/927





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