핵물리학자들이 마침내 양성자 질량의 상당 부분이 존재하는 곳을 찾아냈다.
미국 아르곤국립연구소, 듀크대, 템플대 등 공동연구팀은 토머스제퍼슨국립가속기 실험을 통해 양성자 질량의 상당 부분을 차지하는 전하의 반경을 찾아냈다고 ‘네이처’ 3월 29일자에 발표했다. doi: 10.1038/s41586-023-05730-4
원자를 구성하는 양성자는 쿼크라는 기본입자 3개로 이뤄졌다. 그러나 쿼크 3개를 합쳐도 양성자의 질량에는 한참 못 미친다. 물리학자들은 수십 년 동안 양성자 질량의 기원을 탐구한 결과, 양성자 내 쿼크와 그 쿼크들을 묶는 힘인 글루온이 상호작용하는 과정에서 형성된 에너지로부터 질량을 얻는다는 것까지 알아냈다.
이번 연구팀은 쿼크와 글루온의 상호작용에서 비롯된 물질이 양성자 중심부에 있다는 것을 발견했다. 이 물질의 크기는 양성자보다 훨씬 작았다.
사실 이번 발견은 우연히 이뤄졌다. 연구팀은 2019년 초에 쿼크 5개로 구성된 펜타쿼크를 찾기 위해 가속기에서 액체수소에 광자빔을 충돌시키는 실험을 진행했다. 수소의 양성자에 광자빔을 강타하면 수명이 매우 짧은 중간자가 형성됐다가 붕괴하는데, 이를 통해 양성자 내 글루온의 분포를 확인할 수 있다. 양성자 내 글루온의 분포는 다시 양성자의 크기, 질량, 압력 등의 특성을 도출하는 데이터가 된다.
연구팀은 실험의 결과값을 이론적 모델과 비교하는 과정에서 양성자보다 훨씬 작은 물질이 양성자 중심부에 있다는 사실을 알아냈다. 현재 연구팀은 이 물질을 더 정밀하게 측정하는 실험을 제안한 상태다.
제인에딘 메지아니 아르곤국립연구소 선임연구원은 “매우 흥분되는 실험결과”라며 “새 발견이 추가 실험으로 더 구체화되면 양성자에 대해 훨씬 많은 정보를 얻을 수 있을 것”이라고 밝혔다.
