아주 작은 세계 '펨토미터' 영역 탐사 길 열다

앨리스 국제공동연구팀, 강입자 간 상호작용 관측
LHC서 생성된 희귀 강입자 활용해 측정 성공

윤진희 인하대 교수 등으로 구성된 대형이온충돌실험(앨리스) 국제공동연구팀이 유럽입자물리연구소(CERN)거대강입자가속기(LHC)를 이용해 강력이 작용하는 초미시세계에서 입자 간 강한 상호작용을 측정하는 데 성공했다. 가장 희귀한 오메가 하이퍼론 입자(왼쪽)와 양성자(오른쪽)의 상호작용을 예술적으로 상상한 그림. CERN 제공

윤진희 인하대 교수

한국 연구진이 참여한 국제공동연구팀이 아주 작은 세계인 '펨토미터(1000조분의 1m)' 영역을 탐사할 수 있는 토대를 마련했다.

한국연구재단은 윤진희 인하대 교수 등이 포함된 유럽입자물리연구소(CERN)의 대형이온충돌실험(앨리스) 국제공동연구팀이 강한 핵력이 작용하는 초미시 세계에서 입자 간 강한 상호작용(강력)을 측정하는 데 성공했다고 26일 밝혔다.

연구팀은 빛의 속도로 가속된 입자들을 충돌시켜 많은 입자들을 생성해 내는 LHC(거대강입자가속기)를 이용해 초미시세계의 작은 기본입자(쿼크, 글루온 등) 간 상호작용을 실험적으로 확인하는 연구를 수행하고 있다. 이 프로젝트에는 39개 국가의 1900여 명의 연구자들이 참여하고 있으며, 한국에서도 8개 기관, 40명이 포함돼 있다.

대부분의 물질을 구성하는 입자는 양성자와 중성자로 이뤄져 있다. 이들은 강하게 결합돼 안정된 핵을 구성하고 있으며, 핵 내의 양성자들은 양의 전하를 띄어 전자기력에 의해 강하게 반발하는 '강력'이 존재한다.

이보다 더 작은 세계에서는 양성자나 중성자를 구성하는 더 작은 입자인 '쿼크'가 있고, 쿼크 사이에 '강력'이 작용해 양성자나 중성자를 만들게 된다. 쿼크들이 강력을 통해 뭉쳐진 입자들을 '강입자'라고 하는데, 순식간에 붕괴되기 때문에 실험적으로 관찰하기 쉽지 않아 무거운 강입자 상호작용을 측정할 수 없었다.

연구팀은 양성자와 양성자 간 충돌에서 생성된 강입자끼리의 운동량 차이를 측정해 모든 강입자 사이의 강한 상호작용을 계산해 냈다. 거대강입자가속기에서 생성된 희귀한 강입자를 식별하고, 운동량을 측정할 수 있는 성능이 뛰어난 검출기를 활용한 덕분이라고 연구팀은 설명했다.

이로써 강력이 작용하는 영역인 1펨토미터 정도의 초미시세계를 탐사할 수 있는 '펨토스코피' 기술을 확보하게 됐고, 이제껏 관찰할 수 없었던 펨토미터 영역의 탐사도 가능할 것으로 기대하고 있다.

이 연구결과는 국제 학술지 '네이처(지난해 12월 9일자)'에 실렸다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr