Measurement of $e^{+} e^{-}\to p\bar{p}$ around $\psi(2S)$ with scan method

물질의 중심부, 양성자와 중성자가 쿼크라고 불리는 더 작은 입자들로 구성된 곳에는 이 작은 조각들이 어떻게 서로 달라붙고 떨어져 나가는지를 지배하는 일련의 규칙이 존재합니다. 이 규칙들은 양자 색역학(Quantum Chromodynamics)이라 불리는 이론으로 설명되는데, 이는 우주에서 가장 강력한 접착제인 강력(strong force)의 지침서 역할을 합니다. 이 이론은 특정 상황에서는 완벽하게 작동하지만, 입자들이 느리게 움직이거나 복잡한 방식으로 상호작용할 때는 해결하기가 매우 어려워집니다. 물리학자들은 오랫동안 차르모늄(charmonium)이라고 불리는 특정 입자군에 매료되어 왔습니다. 이들은 무거운 참 쿼크와 그 반물질 쌍둥이로 이루어져 있습니다. 이 입자들은 정밀하게 연구할 수 있을 만큼 충분히 무거우면서도, 강력의 무질서하고 복잡한 규칙이 여전히 지배적인 행동을 보일 만큼 충분히 가볍습니다. 과학자들은 이 입자들이 어떻게 생성되고 다른 입자들로 붕괴되는지를 관찰함으로써, 강력의 숨겨진 역학을 밝혀내고 강력이 자석을 붙게 하거나 번개를 치게 만드는 것과 같은 전자기력과 어떻게 경쟁하는지 확인하고자 합니다.

최근 BESIII 협력 연구팀은 $\psi(2S)$로 알려진 차르모늄 입자 중 하나를 새롭게 조사했습니다. 이 입자는 유명한 $J/\psi$ 입자의 약간 더 무거운 버전이며, 불안정하여 빠르게 다른 입자들로 붕괴됩니다. 연구진은 특히 $\psi(2S)$가 양성자와 반양성자로 붕괴될 때 어떤 일이 일어나는지에 주목했습니다. 입자 물리학의 세계에서, 이 붕괴는 두 가지 서로 다른 방식으로 동시에 일어날 수 있습니다. 즉, 글루온의 교환을 포함하는 강력에 의한 방식이거나, 가상 광자를 포함하는 전자기력에 의한 방식입니다. 두 과정이 동시에 발생할 수 있기 때문에, 이들은 마치 연못에서 만나는 두 개의 물결이 새로운 패턴을 만들어내는 것처럼 서로 간섭합니다. 이 상호작용을 이해하는 핵심은 두 힘 사이의 상대적인 타이밍, 즉 위상(phase)을 측정하는 데 있습니다. 만약 타이밍이 어긋나면 힘들이 서로를 상쇄할 수도 있고, 만약 정렬되어 있다면 결과값을 증폭시킬 수도 있습니다. 이 타이밍을 결정하는 것은 강력과 전자기력이 예측 가능하고 보편적인 방식으로 행동하는지, 아니면 세부 사항 속에 놀라운 것들이 숨겨져 있는지를 이해하는 데 매우 중요합니다.

이 수수께끼를 풀기 위해 연구팀은 단 한 번의 데이터 스냅샷에 의존하지 않았습니다. 대신, 그들은 $\psi(2S)$ 입자의 질량 주변에서 약간씩 다른 9개의 에너지 준위에서 데이터를 수집하는 정교한 스캔을 수행했습니다. 이 방법은 입자의 존재를 나타내는 데이터의 정점인 공명(resonance)의 정확한 형태를 그려낼 수 있게 해주었습니다. 연구진은 에너지 준위를 통과함에 따라 양성자-반양성자 쌍의 수가 어떻게 변하는지를 분석함으로써, 강력의 기여, 전자기력의 기여, 그리고 공명 없이도 발생하는 배경 과정(background process)을 분리해 낼 수 있었습니다. 그들은 베이징 전자-양전자 충돌기에 위치한 거대한 장치인 BESIII 검출기를 사용하여 충돌을 기록했습니다. 이 검출기는 전하를 띤 입자들의 경로를 추적하고 에너지를 측정하는 거대하고 고속인 카메라처럼 작동하여, 팀이 양성자와 반양성자가 생성되는 특정 사건들을 식별할 수 있게 해줍니다.

총 495 피코바른 역량(inverse picobarns)의 데이터를 수집한 후, 팀은 올바른 사건만을 보고 있는지 확인하기 위해 엄격한 기준을 적용했습니다. 그들은 우주선(cosmic rays)과 기타 배경 소음을 걸러냈으며, 양성자와 반양성자의 예상되는 행동과 일치하는 입자 쌍에만 집중했습니다. 분석 결과 명확한 신호가 나타났으며, 탐지된 사건의 수는 $\psi(2S)$ 공명에 대한 이론적 예측과 일치하는 패턴을 그리며 상승하고 하락했습니다. 연구진은 이 데이터의 형태를 맞추기 위해 정교한 수학적 모델을 사용하였고, 근저에 있는 물리적 매개변수들의 값을 추출했습니다. 그들은 강력과 전자기력 진폭 사이의 상대적 위상이 일부 단순한 이론들이 제안하는 것처럼 0 또는 180도가 아니라, 약 106도 또는 -105도의 값에 위치한다는 것을 발견했습니다. 이 두 가지 해는 수학적으로 작동하는 두 가지 다른 방식을 나타내지만, 둘 다 동일한 물리적 실체를 가리킵니다: 즉, 두 힘의 타이밍이 거의 수직을 이룬다는 것입니다.

이 위상 측정값을 손에 쥐고, 팀은 $\psi(2S)$가 양성자와 반양성자로 붕괴하는 확률, 즉 분기비(branching fraction)를 계산했습니다. 그들은 두 가지 수학적 해 중 어느 것을 선택하느냐에 따라 이 확률이 대략 $3.21 \times 10^{-4}$ 또는 $3.47 \times 10^{-4}$임을 발견했습니다. 이 결과는 이전의 측정값보다 약간 높지만 오차 범위 내에서 일관성을 유지합니다. 또한 연구는 충돌하는 입자들에 의해 관찰되는 양성자의 내부 구조를 설명하는 양인 유효 형식 인자(effective form factor)에 대한 새로운 정밀 측정을 제공했습니다. 결과는 이전의 다른 실험 결과들과 잘 부합하는 매끄러운 곡선을 보여주었으며, $\psi(2S)$ 에너지 영역 주변의 데이터 공백을 메워주었습니다.

이 발견의 의의는 현재 우리의 이해의 한계를 테스트하는 능력에 있습니다. 위상이 0이 아니라는 사실은 강력과 전자기력이 완벽하게 동기화되어 있거나 완벽하게 어긋나 있다는 단순한 생각이 틀렸음을 시사합니다. 대신, 데이터는 이 힘들이 다양한 유형의 입자 붕괴에서 보편적으로 상호작용하는 더 복잡한 그림을 뒷받침합니다. 이 특정 각도의 정확한 이유는 이론 물리학자들이 설명해야 할 미스터리로 남아 있지만, 실험적 측정은 미래의 이론들을 위한 견고한 닻을 제공합니다. 이 힘들 사이의 간섭이 예측 가능한 패턴을 따른다는 것을 확인함으로써, 이 연구는 물질이 기초부터 어떻게 구축되는지를 설명하는 모델을 정교화하는 데 도움을 줍니다. 이 작업은 에너지 경관을 주의 깊게 스캔하는 것이 어떻게 아원자 세계의 미묘하고 숨겨진 리듬을 드러낼 수 있는지를 보여주는 정밀 측정의 힘에 대한 증거입니다.