STAR Highlights II: Study of Small Systems and the Search for New, Exotic Physics

지난 4분의 1세기 동안, 과학자들은 빅뱅 직후 수백만 분의 1초 동안 존재했던 조건을 재현하기 위해 거대 입자 가속기로 알려진 상대론적 중이온 충돌기(Relativistic Heavy Ion Collider) 내부에서 중원자핵을 거의 빛의 속도로 충돌시켜 왔습니다. 이 극단적인 환경은 일반적인 물질을 구성하는 양성자와 중성자를 녹여버릴 만큼 뜨겁고 밀도가 높습니다. 이 입자들이 녹으면, 마찰이 거의 없이 흐르는 기본 입자들의 수프인 쿼크-글루온 플라스마라는 새로운 물질 상태가 형성됩니다. 연구자들은 이 플라스마가 어떻게 행동하는지 연구함으로써 우주를 결합하는 근본적인 힘을 이해하고자 합니다. 물리학자들에게 핵심적인 질문은 얼마나 작은 충돌까지 이 이국적인 유체 같은 상태가 형성될 수 있는지 결정하는 것이었습니다. 플라스마가 두 개의 무거운 금 원자 사이의 거대한 충돌을 필요로 하는지, 아니면 단일 양성자와 무거운 핵 사이의 훨씬 작은 충돌에서도 나타날 수 있는 것인지에 대한 의문입니다.

거대한 검출기를 운용하는 연구 그룹인 STAR 협력단의 최근 보고서는 이러한 질문에 답하고 아원자 세계의 다른 미스터리들을 탐구하기 위해 25년간의 데이터를 종합적으로 살펴봅니다. 연구팀은 아주 작은 양성자부터 무거운 우라늄 원자에 이르기까지 수십 가지의 다양한 원자 종 조합과 광범위한 에너지 수준을 포함하는 충돌을 분석했습니다. 그들의 작업은 적절한 조건만 갖춰진다면 매우 작은 충돌 시스템에서도 이 뜨거운 유체 플라스마의 징후가 나타난다는 것을 확인해 주었습니다. 또한 그들은 원자핵의 내부 구조를 측정하는 새로운 방법을 발견했으며, 찰나의 순간 동안만 존재하다가 붕괴하는 이국적인 입자들의 증거를 찾아냈습니다.

가장 중요한 발견 중 하나는 이 플라스마를 생성하는 데 필요한 규모에 관한 것입니다. 수년 동안 과학자들은 대규모 충돌에서 관찰되는 유체와 같은 행동이 진정한 물질의 상(phase)인지, 아니면 단순히 독립적인 입자 상호작용의 집합인지에 대해 논쟁해 왔습니다. STAR 팀은 과거에 사용되었던 금-금 충돌보다 훨씬 작은 시스템인 산소 핵과 다른 산소 핵의 충돌을 통해 이를 조사했습니다. 그들은 플라스마가 형성되었다는 몇 가지 뚜렷한 징후를 관찰했습니다. 그들은 고에너지 입자들이 매질을 통과할 때 속도가 느려지는 현상인 제트 퀀칭(jet quenching)을 관찰했습니다. 또한 특정 무거운 입자들의 생성이 억제되는 것을 보았는데, 이는 강렬한 열에 의해 입자들이 부서지고 있음을 시사합니다. 더욱이, 충돌에서 방출된 복사 에너지는 뜨거운 플라스마와 일치하는 온도를 나타냈으며, 기이한(strange) 입자들의 생성은 유체 매질에 대한 예측과 일치하는 방식으로 증가했습니다. 이 산소 충돌을 경수소의 동위원소인 중수소 충돌과 비교했을 때, 그들은 유체와 같은 행동이 충돌하는 핵의 모양과 내부 구조에 달려 있다는 것을 발견했으며, 이는 해당 신호가 무작위적인 우연이 아니라 물질의 집단적 반응에서 기인함을 확인시켜 주었습니다.

플라스마 자체 외에도, 연구진은 이 충돌들을 이용해 불안정한 원자핵의 찰나의 존재를 연구했습니다. 저에너지 충돌에서, 그들은 거의 즉시 붕괴할 정도로 매우 불안정한 리튬 동위원소의 생성을 성공적으로 측정했습니다. 이 짧은 수명의 입자들이 주변의 밀도 높은 물질과 어떻게 상호작용하는지 추적함으로써, 연구팀은 원자핵이 더 작은 조각들로부터 어떻게 구축되는지에 대한 이론을 테스트할 수 있었습니다. 그들은 수명이 짧은 입자들이 더 안정적인 대응 입자들에 비해 더 적은 수로 생성된다는 것을 발견했는데, 이는 이 핵들의 형성과 주변 환경에 의한 파괴 사이의 경쟁을 직접적으로 반영하는 결과입니다. 또 다른 이국적 물질 탐색에서, 팀은 뮤온(전자보다 무거운 친척 격인 입자)이 하드론 주위를 도는 희귀한 구조인 뮤온 원자를 조사했습니다. 그들은 충돌 잔해에서 이 뮤온 원자의 명확한 신호를 발견했으며, 이는 직접 검출하기 어려운 연성(soft) 뮤온을 연구하는 새로운 방법을 제공했습니다.

연구는 또한 양자 진공에 대한 깊은 비밀을 드러내는 입자의 스핀, 즉 고유 회전에 대한 연구를 다루었습니다. 연구팀은 묘한 쿼크(strange quark)와 그 반입자로 구성된 입자인 파이 메존(phi meson)의 스핀 정렬을 측정했습니다. 입자가 붕괴하여 생성되는 입자들의 2차원 분포 전체를 분석함으로써, 그들은 스핀 행렬의 비대각 요소에서 0이 아닌 신호를 감지했습니다. 이는 쿼크와 반쿼크의 스핀이 특정 방식으로 상관되어 있음을 나타냅니다. 이 상관관계의 기원을 이해하기 위해, 그들은 양성자 충돌에서의 람다-안티람다 쌍 측정과 비교하였는데, 거기서 그들은 양자 진공이 입자들이 생성될 때 그 구조를 각인시킨다는 것을 시사하는 강력한 상관관계를 발견했습니다. 연구팀은 현재 이 상관관계가 무거운 이온 충돌의 뜨거운 플라스마 속에서도 살아남는지 확인하기 위해 노력하고 있으며, 이는 극한의 열이 진공의 구조를 녹여버리는지 아니면 그것이 지속되는지를 알려줄 것입니다.

마지막으로, 연구진은 이러한 충돌에서 생성된 물질의 흐름을 측정하는 새로운 방법을 개발했습니다. 그들은 충돌마다 입자의 평균 운동량이 어떻게 변동하는지 조사하였으며, 이는 초기 화염구(fireball)의 크기가 어떻게 변하는지를 밝혀줍니다. 이러한 측정은 플라스마 내부의 음속을 추정할 수 있게 해주었는데, 이 값은 매질이 얼마나 단단하거나 압축 가능한지를 설명합니다. 그들의 결과는 음속이 온도에 따라 변화한다는 것을 보여주며, 이는 격자 양자 색역학(lattice quantum chromodynamics)의 이론적 계산과 일치합니다. 또한 그들은 입자의 흐가 질량에 따라 달라지며, 더 무거운 입자가 팽창하는 유체로부터 더 많은 운동량을 얻는다는 패턴을 발견했는데, 이 패턴은 그들이 연구한 모든 다양한 충돌 시스템에서 일관되게 나타났습니다. 플라스마의 특성에 대한 이러한 상세한 매핑은 우주의 초기 모습이 어떠했는지에 대한 더 명확한 그림을 제공하며, 향후 수십 년간 이어질 새로운 발견의 토대를 마련합니다.