쿼크를 만들기 위한 대형 강입자 충돌기 실험

30년 동안 전 세계 물리학자들은 초기 우주에서 생명을 주는 입자가 어떻게 형성되었는지 재구성하려고 노력해 왔습니다. ALICE는 그들의 가장 강력한 노력입니다.

작성자: 라훌 라오 | 2023년 8월 31일 오전 6시(EDT)에 게시됨

보통, 우주를 창조하는 것은 LHC(Large Hadron Collider)의 일이 아닙니다. 예를 들어 세계 최대 입자 가속기에서 힉스 보존을 찾아내고 추적하는 등 대부분의 획기적인 과학은 거의 빛의 속도로 보잘것없는 양성자를 발사할 때 발생합니다.

그러나 매년 말 약 한 달 동안 LHC는 탄약을 양성자에서 약 208배 더 무거운 총알인 납 이온으로 전환합니다.

LHC가 이러한 이온을 서로 충돌시키면 과학자들은 빅뱅 후 수백만분의 1초 후에 존재가 멈춘 것과 같은 우주의 덧없는 물방울을 엿볼 수 있습니다.

이것은 쿼크-글루온 플라즈마에 관한 이야기입니다. 어떤 원자든 원자를 선택하세요. 소용돌이치는 전자 구름을 벗겨내면 핵인 원자핵이 드러납니다. 그런 다음 핵을 기본 구성 요소인 양성자와 중성자로 잘게 깍둑썰기합니다.

물리학자들이 20세기 초 처음으로 원자핵을 분리했을 때, 이것이 한계에 이르렀습니다. 양성자, 중성자, 전자는 우주 전체의 질량을 형성했습니다. 여기에 뮤온과 같이 수명이 짧은 전하를 띤 입자도 포함되었습니다. 그러나 계산, 원시 입자 가속기 및 지구 대기를 강타하는 우주선은 카온, 파이온, 하이퍼론 및 마치 외계인에게 심령 능력을 주는 것처럼 들리는 기타 입자의 추가 동물원을 드러내기 시작했습니다.

너무 많은 기본 성분을 제시하는 것은 우주에서 다소 우아하지 않은 것처럼 보였습니다. 물리학자들은 곧 이러한 입자 중 일부가 전혀 기본이 아니라 더 작은 입자의 조합이라는 사실을 알아냈고, 제임스 조이스(James Joyce)의 Finnegans Wake에서 부분적으로 영감을 받은 단어인 쿼크를 사용하여 명명했습니다.

쿼크에는 여섯 가지 다른 "맛"이 있지만, 관측 가능한 우주의 대부분은 업 쿼크와 다운 쿼크, 단 두 가지로 구성됩니다. 양성자는 업 쿼크 2개와 다운 쿼크 1개로 구성됩니다. 중성자 하나, 두 개는 아래로, 하나는 위로. (나머지 4개는 무거움과 포착하기 어려운 정도의 오름차순으로: 기묘 쿼크, 매력 쿼크, 뷰티 쿼크, 톱 쿼크입니다.)

이 시점에서 성분 목록이 끝납니다. 우리 세계에서는 일반적으로 양성자나 중성자를 쿼크로 절단할 수 없습니다. 대부분의 경우 쿼크는 그 자체로는 존재할 수 없습니다. 그러나 1970년대에 물리학자들은 물질을 가열하는 해결 방법을 생각해 냈습니다. 과학자들이 하게돈(Hagedorn) 온도라고 부르는 지점에서 이러한 아원자 입자는 고에너지 쿼크 수프와 이들을 서로 접착하는 더 작은 입자인 글루온으로 감소합니다. 과학자들은 이 수프를 쿼크-글루온 플라즈마(QGP)라고 불렀습니다.

쿼크와 글루온은 일반적으로 자체적으로 존재할 수 없으며 이들이 만드는 더 큰 입자에서 재구성하는 것이 어렵기 때문에 이는 매우 흥미로운 방법입니다. "물을 주면 [수소와 산소 원자]의 특성을 말하기가 매우 어렵습니다."라고 인도 국립 과학 교육 연구 연구소와 CERN의 물리학자인 베단가다스 모한티(Bedangadas Mohanty)는 말합니다. "마찬가지로 나는 양성자, 중성자, 파이온을 줄 수 있습니다. 하지만 쿼크와 글루온의 특성을 정말로 연구하고 싶다면 상자에 무료로 넣어야 합니다."

이것은 가정용 오븐에서 테스트할 수 있는 레시피가 아닙니다. 일상 세계의 단위로 보면 강입자계의 온도는 화씨 약 3조도에 달하며 이는 태양 중심보다 10만 배 더 뜨겁습니다. 이 작업에 가장 적합한 장비는 입자 가속기입니다.

하지만 아무 입자 가속기만이 가능한 것은 아닙니다. 충분한 에너지로 입자를 증폭시켜야 합니다. 그리고 과학자들이 QGP를 만들기 시작했을 때 LHC는 먼 미래의 꿈에 지나지 않았습니다. 대신 CERN에는 LHC 둘레의 약 4분의 1에 불과한 구형 충돌기인 SPS(Super Proton 싱크로트론)가 있었습니다.