마침내! 데드콘을 측정하다

데드콘 직접 측정으로 양자색소역학의 근본적 특성 밝혀

주요내용 설명

<작성 : 인하대학교 물리학과 권민정 교수>

논문명	Direct Observation of the dead-cone effect in quantum chromodynamics
저널명	Nature 605, 440-446 (2022)
키워드	Dead cone(데드콘), Strong interaction(강한상호작용), Proton-proton collisions(양성자-양성자 충돌), Charm quark(맵시 쿼크), Parton shower(파톤 샤워)
DOI	10.1038/s41586-022-04572-w
저 자	ALICE Collaboration 한국인 논문참여자(공동연구자) : 인하대학교 물리학과 : 윤진희, 권민정, 복정수, 도재현, 비트 쿠체라(Vit Kucera), 조소연, 박종한, 권지연, 서진주 부산대학교 물리학과 : 유인권, 임상훈, 김총, 송지혜, 임봉휘 연세대학교 물리학과 : 권영일, 홍건희, 김태준, 김준걸, 김재현, 김대혁 세종대학교 물리학과 : 김세용 성균관대학교 물리학과: 김범규 강릉원주대학교 물리학과 : 김진숙, 백용욱 전북대학교 과학교육학부 : 김은주, 김준이 충북대학교 소프트웨어학부 : 노서영 한국과학기술정보연구원 : 안상언 등

1. 연구의 필요성

○ 강한상호작용을 설명하는 표준모형의 이론인 양자색소역학에 따르면 입자가 충돌할 때 생성되는 쿼크는 글루온을 사방으로 방사하며 에너지를 잃는다. 약 30년 전 물리학자들은 양자색소역학의 기본 방정식을 바탕으로 글루온이 방사되지 않는 사각지대가 있을 것이라고 예측했다. 이른바 “데드콘(dead cone)”이다. 현재까지는 간접적으로만 데드콘의 존재를 확인할 수 있었다. 따라서 이를 실험적으로 직접 관측한다는 것은 강한상호작용의 근본적인 특성을 직접 검증한다는 중요한 의미를 갖는다.

○ CERN의 물리학자들은 거대강입자가속기(LHC)를 이용해 입자를 빛에 가까운 속도로 충돌시켜 이를 확인하기 위한 실험을 수행해 왔다. 특히 ALICE 실험에서는 데드콘을 직접 관측하기 위한 독창적인 데이터 분석 방법을 개발해왔다. ALICE 실험은 CERN의 거대강입자가속기(LHC)를 둘러싼 네 개의 대형 국제공동실험 중 하나로, 40개 국가의 192개 기관에서 1900여 명의 연구자들이 참여하고 있다. 빅뱅 직후 백만분의 1초 후에 형성되었을 원시 우주를 실험실에서 재현하고 관찰함으로써, 우주 초기 물질의 생성과정과 상호작용을 밝히고, 이를 통해 우주의 진화과정 및 강한상호작용의 근본 원리를 이해하는 것을 목표로 한다. 한국에서는 9개 기관의 46명의 연구자들이 실험에 참여하고 있다.

2. 연구내용

○ LHC와 같은 가속기를 이용해 빛에 가까운 속도로 입자를 충돌시키면 쿼크나 글루온과 같은 입자들이 생성된다. 이렇게 생성되는 쿼크와 글루온을 파톤(parton)이라 부른다. 이 입자들은 더 낮은 에너지의 쿼크와 글루온을 연속적으로 방사하면서 진행하는데, 이를 파톤 샤워(parton shower)라 한다. 양자색소역학(QCD) 이론에 따르면 파톤 샤워의 모양새는 날아가는 입자의 질량에 따라 달리 나타난다. 즉, 입자가 진행하는 방향을 기준으로 질량과 에너지의 비(질량/에너지) 보다 작은 각도로는 글루온을 방출하지 않는데, 이 사각지대를 “데드콘(dead cone)”이라 부른다. 사각지대를 의미하는 데드(dead)와 사각지대의 형태가 원뿔이라는 의미의 콘(cone)이 합쳐진 말이다. 데드콘 효과는 강한상호작용을 기술하는 이론인 양자색소역학(QCD)의 근본적인 특성이라 할 수 있다.

○ 데드콘의 크기는 입자의 질량에 비례하므로 질량이 큰 맵시쿼크(양성자 질량의 약 1.3배)와 바닥쿼크(양성자 질량의 약 4배)에서 그 효과가 질량이 작은 쿼크에 비해 크게 나타난다. 이는 진행하는 입자의 질량이 클수록 사각지대가 커져 입자의 진행방향 부근에서는 파톤 샤워로부터 생성되는 입자들의 평균수가 줄어든다는 것을 의미한다. 약 20년 전 DELPHI 실험팀에서는 무거운 바닥쿼크를 만들어 내는 충돌사건과 가벼운 쿼크(u, d, s)를 만들어 내는 충돌 사건에서 각각 생성되는 입자수를 비교해 데드콘 효과를 간접적으로 확인하였다. 이후 LHC의 ATLAS 실험팀이나 CMS 실험팀에서도 간접적인 확인은 이루어졌으나 직접적으로 데드콘 효과를 검증하지는 못했다. 입자가 글루온을 방사하면서 진행 방향을 계속 바꾸고 방사된 글루온들도 다른 입자들로 바뀌어서 데드콘의 원뿔형 사각지대를 직접 측정하는 것이 매우 어렵기 때문이다.

○ ALICE 실험팀은 LHC에서 얻은 양성자-양성자 충돌 데이터에 최첨단 분석 기술을 적용해 이러한 어려움을 해결했다. 글루온 방사에 의해 생성된 파톤 샤워는 시간이 지나면서 관측 가능한 강입자 다발로 바뀌게 되는데, 이를 제트라 부른다. 새로운 실험 기법에선 우선 검출기를 이용해 강입자 다발을 모아 제트를 측정한 후, 제트를 구성하는 입자들을 샤워 패턴에 따라 묶고 나누어 각각의 글루온 방사에 의해 생겨난 파톤 샤워를 구분해 낸다(그림 2-위). 이렇게 재조합해 낸 파톤샤워를 시간을 거슬러 가는 순서대로 재구성하여, 충돌 초기에 생성된 입자가 글루온을 방사하며 파톤샤워를 만드는 큰 그림을 모두 재현해 낸다(그림 2-아래). 이렇게 하면 입자가 지나가면서 글루온을 방사하는 각도(그림 2의 θ)와 매 순간 입자의 에너지(그림 2의 Eradiator)를 모두 알아낼 수 있다.

○ 데드콘의 크기는 질량이 클수록 커지기 때문에 맵시쿼크는 큰 데드콘 사각지대를 만들 것이라 예상된다. 하지만 가벼운 쿼크(u, d, s)나 글루온은 질량이 매우 작아 데드콘에 의한 사각지대가 거의 나타나지 않으므로, 두 경우에 각각 이 분석 기법을 적용한 결과를 비교하면 데드콘 효과를 확인할 수 있다. 실험에서는 입자가 지나가면서 글루온을 방사하는 각도(θ) 분포의 비율을 구해(그림 3의 R(θ)), 특정 각도 영역에서 글루온 방사가 덜 일어나는 사각지대가 있는지 확인하는 방법을 사용했다. 글루온 방사각도가 작아질수록 (그림 3의 x축 값이 커질수록) 맵시쿼크에서 생성되는 글루온의 양이 상대적으로 적어져(즉, R(θ)가 1보다 작아져) 실제로 원뿔형의 사각지대가 있음을 보여주었다. 질량이 큰 맵시쿼크의 경우엔 글루온이 방사되지 않는 사각지대, 이른바 데드콘이 존재함을 직접적으로 증명한 것이다.

○ 데드콘의 관측은 강입자에 속박되지 않은 맵시쿼크가 유한한 질량을 갖고 있다는 직접적인 증거가 된다. 쿼크의 질량은 입자 물리학의 기본 양이지만 탑(top) 쿼크 이외의 쿼크들은 강입자 안에 갇혀 있어서 실험에서 직접 측정할 수 없었다. 본 성과에서는 데드콘의 크기와 질량의 상관관계를 이용해 질량을 직접 측정할 수 있는 방법을 제시한 것이다.

3. 연구성과/기대효과

○ 최근 ALICE 연구팀은 강한상호작용을 설명하는 이론의 근본적 특성인 “데드콘(dead cone)” 효과를 직접 관측하였으며, 직접적으로 강한상호작용의 근본적인 특성을 검증했다는 점에서 큰 의미가 있다. 더불어 데드콘의 관측은 강입자에 속박되지 않은 맵시쿼크가 유한한 질량을 갖고 있다는 직접적인 증거가 된다. 따라서 본 연구 결과는 쿼크의 질량을 직접 측정하는 연구의 새로운 지평을 열었다고 할 수 있다.

○ 앞으로 연구팀은 좀 더 무거운 바닥쿼크를 포함하는 제트를 측정해 데드콘 효과를 보다 정량적으로 이해하고 바닥쿼크의 질량을 직접 측정할 계획이다. 더불어 상대론적 중이온 충돌에서 예견되는 데드콘 효과를 측정해 뜨겁고 밀도가 높은 QCD 매질에서 글루온이 방사되며 에너지를 잃는 메커니즘을 이해할 수 있기를 기대한다. 이를 통해 우주 초기물질과 유사한 고온 고밀도의 QCD  매질을 이해하는데 한 발 짝 더 나아갈 수 있을 것이다.

○ 한국에서는 현재 9개 기관의 46명의 연구자들이 이 실험에 참여하고 있으며(한국대표: 인하대 권민정 교수), 최근 이루어진 업그레이드 작업에서도 입자 충돌 지점에 가장 가까이 위치하고 있는 내부궤적추적 장치를 제작하는 데 핵심적인 기여를 하였다. 새로이 업그레이드 된 ALICE 검출기를 이용하면 더 많은 데이터를 이용해 보다 정밀한 측정을 할 수 있다. 즉, 맵시쿼크를 포함하는 제트뿐만 아니라 바닥쿼크를 포함하는 제트를 측정하면 데드콘 효과를 보다 정량적으로 이해할 수 있을 뿐만 아니라 바닥쿼크의 질량을 직접 측정할 수 있다. 이를 통해 강한상호작용의 근본적인 특성을 보다 정밀히 이해할 수 있기를 기대한다.

그림 설명

(그림1) 글루온을 방사하는 맵시쿼크와 데드콘

맵시쿼크가 파톤 샤워 과정을 통해 글루온을 방사하며 에너지를 잃는 모습을 상상한 것으로, 글루온이 방사되지 않는 사각지대, 이른바 “데드콘(dead cone)”을 원뿔로 도식화하였다.

그림설명 및 그림제공 : CERN ALICE 인하대학교 권민정 교수

(그림2) 파톤 샤워의 재구성

파톤 샤워를 통해 글루온을 방사하는 맵시쿼크를 재구성해나가는 방법을 나타낸 것으로, 우선 검출기를 이용해 강입자 다발을 모아 제트를 측정한 후 맵시쿼크를 포함한 강입자(D0 입자)가 있는 쿼크를 골라낸다. 이후 D0 입자와 가장 가까운 입자를 묶어 초기 클러스터(cluster)를 만들고 시간을 거슬러 가는 순서대로(5→4 →3→2→1의 순서) 샤워의 모양새를 재구성해간다. 글루온을 방사할 때마다 맵시쿼크의 에너지(Eradiator)는 작아지며 데드콘(빨간색 원뿔)의 크기는 커진다.

그림설명 및 그림제공: CERN ALICE 인하대학교 권민정 교수

(그림3) 맵시쿼크와 가벼운 쿼크의 글루온 방사 각도 분포 비율

- D0 강입자(맵시쿼크 포함)를 포함한 제트와 가벼운 쿼크(u, d, s)를 포함한 제트 내에서 글루온이 방사되는 각도(θ) 분포를 비교하고자 두 각도 분포 사이의 비율(R(θ))을 계산하였다. 데드콘의 크기는 진행입자의 질량과 에너지의 비율(질량/에너지)에 비례하기 때문에 진행입자의 에너지가 작을수록 그 효과가 커진다.

- 입자에 에너지(Eradiator)를 세 구간으로 나누었다. 에너지가 작은 영역(왼쪽 그래프)에서는 글루온 방사각도가 작아질수록(x축 값인 ln(1/θ)가 커질수록) 맵시쿼크에서 생성되는 글루온의 양이 상대적으로 적어져 (즉, R(θ)가 1보다 작아져) 데드콘 효과가 나타남을 보여준다(분홍색 그림자 영역).

그림설명 및 그림제공: CERN ALICE 인하대학교 권민정 교수

연구 이야기

<작성 : 인하대학교 물리학과 권민정 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

약 30년 전 물리학자들은 양자색소역학의 기본 방정식을 바탕으로 “데드콘(dead cone)”의 존재를 예견했다. 현재까지는 간접적으로만 데드콘의 존재를 실험적으로 확인할 수 있었다. 하지만 데드콘의 존재를 직접 측정해야만 양자색소역학이 틀리지 않음을 확인할 수 있기 때문에 수십 년에 걸쳐 여러 실험팀이 검증을 위한 노력을 해왔다. 더불어 상대론적 중이온 충돌에서는 데드콘의 존재를 통해 우주 초기물질과 유사한 고온 고밀도 QCD 매질의 특성을 이해할 수 있다. 이런 이유 때문에 ALICE 실험팀은 데드콘 효과를 측정하고자 수년간 노력해왔다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

유럽입자물리연구소(CERN)의 거대강입자가속기(LHC)에는 CMS, ATLAS, ALICE, LHC-b 4개의 검출기가 설치되어있다. 전 세계의 5천여 명의 과학자들이 CERN에 참여해 공동으로 연구를 하고 있으며, 한국에서는 ALICE와 CMS에 주로 참여하고 있다.  힉스입자 발견에 기여한 CMS가 표준모형의 입자에 대한 연구를 주로 한다면 ALICE는 이들의 상호작용으로부터 생기는 물질에 대한 연구가 주이다. 핵과 핵을 충돌시켜서 우주초기의 굉장히 밀집되고 높은 에너지 상태, 즉 빅뱅과 유사한 상태를 재현해 그때의 물질의 상호작용을 연구하는 것이다. 한국은 지난 2006년 10월 CERN과 협력 협정을 체결하고 CMS와 ALICE실험에 참여하기 시작했다. ALICE 실험에는 40개국, 192개 기관의 1900명의 연구원들이 연구에 참여하고 있고, 국내에서는 9개 연구기관(강릉원주대, 부산대, 성균관대, 세종대, 인하대, 연세대, 전북대, 충남대, KISTI) 46명이 함께 연구를 진행하고 있다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

물리학 이론은 실험을 통해 검증이 되어야만 물리학 법칙으로 인정된다. 그렇지 않으면 모델이나 이론이라 불리며 언제든 거짓으로 판명될 여지가 있다. 이번 연구 결과는 강한상호작용을 설명하는 표준모형의 이론인 양자색소역학의 근본적인 특성을 직접적으로 검증하고 쿼크의 질량을 직접 측정하는 연구의 새로운 길을 열었다는 점에서 큰 의미가 있다. 이 연구에서 사용한 방법을 이용해 앞으로 얻을 LHC 데이터를 분석하면 보다 정밀히 양자색소역학의 근본적인 특성을 이해할 수 있을 것이다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

앞으로 얻을 높은 휘도의 LHC 데이터를 바탕으로 좀 더 무거운 바닥쿼크를 포함하는 제트를 측정해 데드콘 효과를 보다 정량적으로 이해하고 바닥쿼크의 질량도 직접 측정할 계획이다. 더불어 상대론적 중이온 충돌에서 예견되는 데드콘 효과를 측정해 고온 고밀도의 QCD 매질 내에서 글루온이 방사되며 에너지를 잃는 메커니즘을 이해하고자 한다. 이를 통해 ALICE 실험팀의 궁극적인 목표인 우주 초기물질과 유사한 고온 고밀도의 QCD 매질의 특성을 이해하는데 한 발 짝 더 나아가고자 한다.