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‘강한 상호작용’ 설명할 중입자 발견됐다

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2017년 07월 07일 17:00 프린트하기

유럽 연구진이 새로 발견한 중입자. 맵시 쿼크 두 개 주변을 위 쿼크 1개가 공전하고 있는 쌍성계 같은 형태를 갖고 있다. - 거대강입자가속기연구소 제공
유럽 연구진이 새로 발견한 중입자. 맵시 쿼크 두 개 주변을 위 쿼크 1개가 공전하고 있는 쌍성계 같은 형태를 갖고 있다. - 거대강입자가속기연구소 제공

유럽연구진이 과학자들이 오랫동안 찾아왔던 새로운 중입자를 발견했다. 원자핵을 이루게 하는 ‘강력’을 설명할 실마리를 하나 더 찾았다.

 

유럽입자물리연구소(CERN)는 새로운 중입자 ‘Xi-cc++’을 발견했다고 6일(현지 시각) 밝혔다. 중입자는 양성자나 중성자처럼 원자핵을 이루는 아주 작은 입자다. 일반적인 상식 수준에서는 양성자와 중성자만 알려져 있지만, 사실 이보다 더 많은 중입자가 존재한다. 중입자는 물질을 이루는 기본 입자 중 쿼크 3개가 조합되어 만들어진다. 지금까지 쿼크는 6종류가 알려졌으며, 다양한 조합으로 중입자를 만든다.

 

과학자들은 세상에 존재하는 물질과 이들을 구성하는 힘을 하나의 이론으로 설명하려 꾸준히 시도하고 있다. 가속기를 이용해 입자를 충돌시켜 더 이상 쪼개지지 않을 정도로 잘게 부수기도 하고, 이들이 쪼개지지 않도록 묶는 힘의 정체를 찾는다. 2012년 입자가 질량을 갖게 해주는 ‘힉스 입자(H)’를 발견한 것도 이런 노력의 일환이다.

 

힉스 입자의 발견으로 물질이 질량을 갖게 되는 과정에 대해 설명이 됐지만 아직도 풀어야할 숙제는 많다. 질량을 매개하는 것으로 알려진 힉스 입자를 찾긴 했지만 이 입자가 정확하게 어떤 성질을 가지고 있는지는 밝혀지지 않은 부분이 많다. 또 양성자와 중성자를 묶어 원자핵을 만드는 ‘강력’ (强力)이 어떻게 생기는지도 밝혀지지 않았다.

 

영국 글라스고대 패트릭 스프라들린 연구팀은 거대강입자가속기(LHC)를 이용해 양성자와 양성자를 충돌시키는 실험에서 지금까지 알려지지 않았던 새로운 중입자 ‘Xi-cc++’를 발견했다. 맵시 쿼크 (charm quark) 두 개와 위 쿼크 (up quark) 한 개로 이루어진 이 중입자는 양성자보다 4배 더 무겁다. 가이 윌킨슨 거대강입자가속기 연구소 대변인은 “기존 중입자를 이루는 쿼크는 다른 쿼크와 반응하며 정교하게 움직였다”며 “새로 발견된 중입자를 구성하는 쿼크는 마치 두 개의 별을 가진 항성계처럼 움직인다. 맵시 쿼크 두 개는 쌍성계의 항성, 위 쿼크는 그 주변을 공전하는 행성과 같다”고 설명했다.

 

과학자들은 이 무거운 중입자가 쿼크를 묶어 중입자를 만드는 ‘강력’를 설명해 줄 단서라고 말한다. 쿼크의 배열에 따라 서로 다른 중입자가 만들어지는 이유를 찾으면 강력을 설명할 수 있게 된다.

 

연구에 참여한 글라스고대 폴 솔러 교수는 이번 연구에 대해 “강력을 설명하는 연구에 새로운 지평선을 열었다”고 평가했다.

 

이 연구는 물리학 분야 국제학술지 피지컬 리뷰 레터스에 실릴 예정이다.

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