가벼운 원자핵 생성의 비밀이 고에너지 입자 충돌실험으로 풀렸다.
한국연구재단은 ALICE 국제공동연구팀이 유럽핵입자물리연구소(CERN) 거대강입자가속기(LHC)에서 양성자 간 충돌실험으로 중수소 생성 메커니즘을 실험적으로 규명했다고 23일 밝혔다.
중수소는 양성자 1개와 중성자 1개가 결합한 매우 가벼운 원자핵이다.
때문에 결합에너지가 약 2.2MeV로 약해 수백 MeV 이상의 에너지가 집중되는 초고온 입자 충돌 환경에서 쉽게 깨질 것으로 예상됐다.
그럼에도 실제 실험에서 중수소가 다량 생성되는 현상이 반복적으로 관측돼 약한 결합의 원자핵이 극한의 조건에서도 생성되는 것은 핵물리학의 중요 난제로 꼽혔다.
연구팀은 LHC에서 양성자와 양성자를 충돌시킨 실험 데이터를 바탕으로 충돌 과정에서 생성된 파이온과 중수소가 함께 움직이는 방식을 정밀 분석했다.
이를 통해 입자가 언제 어떤 과정을 거쳐 중수소로 결합했는지를 추적했다.
분석결과 충돌 직후 중수소가 바로 만들어지는 것이 아니라, 델타 공명입자와 같은 짧은 수명의 공명입자가 먼저 붕괴한 뒤 생성된 양성자와 중성자가 다시 결합하면서 중수소가 형성된다는 사실을 확인했다.
델타 공명입자는 델타 중입자와 관련된 매우 짧은 수명의 입자들로, 고에너지 실험에서 관측되는 들뜬 상태의 입자여서 매우 짧은 시간에 붕괴한다.
실제 관측된 중수소와 반중수소의 약 60%는 델타 공명입자 붕괴 이후 만들어졌고, 모든 공명입자의 기여를 포함하면 그 비율은 90%에 달했다.
연구팀은 이런 공명입자가 붕괴하며 방출한 핵자들이 비교적 느린 속도로 가까운 위치에 머물러 다시 결합하기에 유리한 조건을 만든다는 것을 실험 신호로 확인했다.
이는 중수소가 극한 환경에서도 생성되는 이유를 직접적으로 설명하는 근거가 된다.
이번 연구는 이론 모델에 의존하던 기존 접근과 달리 입자 간 상관관계라는 실험적 증거를 통해 가벼운 원자핵 생성 과정을 처음으로 직접적인 실험 증거를 제시한 것으로, 고에너지 핵물리학의 핵심 난제를 해결했다는 데 의의가 있다.
이를 통해 우주 초기 또는 우주방사선 충돌 환경에서 물질이 어떻게 형성됐는지를 이해하는 데도 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다.
ALICE 국제공동연구팀의 한국팀 대표인 권민정 인하대 물리학과 교수는 “중수소는 매우 약한 결합을 가진 원자핵임에도 극한의 충돌 환경에서 생성됐지만, 그 이유는 오랫동안 설명되지 않았다”며 “이번 연구는 공명입자 붕괴 이후 핵자가 다시 결합한다는 메커니즘을 실험으로 확인하고 가벼운 원자핵 생성의 오랜 논쟁에 중요한 답을 제시했다”고 말했다.
한편, 이번 연구결과는 지난 10일 국제학술지 ‘네이처(Nature)’에 게재됐다.
(논문명 : Observation of deuteron and antideuteron formation from resonance-decay nucleons)
