Exploring nucleon spin by Drell-Yan process

모든 원자의 내부에는 양성자와 중성자가 물질의 밀도 높은 핵을 형성하고 있지만, 이들은 고정된 형태의 변하지 않는 구체가 아닙니다. 대신, 이들은 쿼크와 글루온이라 불리는 더 작은 입자들의 역동적인 묶음이며, 끊임없이 움직이고 있습니다. 수십 년 동안 물리학자들은 양성자의 스핀(양성자가 팽이처럼 회전하는 방식)이 단순히 세 개의 주요 쿼크가 가진 스핀의 합이 아니라는 점을 이해해 왔습니다. 이 스핀의 상당 부분은 쿼크가 양성자 내부를 질주하며 발생하는 궤도 운동과, 이들을 결합하는 글루온으로부터 기인합니다. 이 보이지 않는 내부 지형을 지도화하기 위해, 과학자들은 고에너지 충돌을 사용하여 양성자의 구조를 탐사합니다. 이를 위한 가장 강력한 도구 중 하나는 양성자나 파이온과 같은 두 개의 강입자가 서로 충돌하여 전자의 무거운 사촌 격인 뮤온 한 쌍을 생성하는 과정입니다. 이 뮤온들이 어떻게 흩어져 날아가는지를 연구함으로써, 연구자들은 이들을 만들어낸 쿼크의 거동을 재구성하고, 양성자의 스핀이 어떻게 구성되는지에 대한 세부 정보를 밝혀낼 수 있습니다.

스핀 물리학 국제 심포지엄에서 발표된 웬첸 창(Wen-Chen Chang)의 최근 발표는 이 충돌 과정, 즉 드렐-얀(Drell-Yan) 과정이 이러한 내부 운동에 대한 우리의 이해를 테스트하는 데 어떻게 사용되고 있는지를 검토합니다. 이 연구는 쿼크의 두 가지 특정 움직임, 즉 양성자의 방향에 대해 가로 방향으로 움직이는 횡방향 운동량과 양성자의 스핀과의 상관관계에 초점을 맞춥니다. 더 쉽게 말하자면, 과학자들은 쿼크의 옆방향 움직임이 양성자가 회전하는 방향과 연결되어 있는지 보여주는 패턴을 찾고 있는 것입니다. 이는 매우 중요한데, 왜냐하면 물리학의 근본 이론에 따르면 스핀과 옆방향 움직임 사이의 관계는 충돌이 '공간 유사(space-like)' 환경에서 일어나는지 또는 '시간 유사(time-like)' 환경에서 일어나는지에 따라 부호가 바뀌어야 한다고 예측하기 때문입니다. 전자 빔을 사용한 이전 실험들은 한 종류의 운동에 대해 이러한 부호 변화를 확인했지만, 드렐-얀 과정은 이 규칙이 다른 유형의 운동에도 적용되는지, 그리고 양성자가 파이온과 같은 다른 입자에 의해 충돌할 때도 동일한 규칙이 적용되는지 확인할 수 있는 독특한 방법을 제공합니다.

이 발표는 쿼크와 글루온이 양성자의 스핀과 어떻게 상관관계를 갖는지에 대한 수학적 기술인 보어-뮬더스(Boer-Mulders) 함수에 관한 최근의 발견을 강조합니다. 파이온 빔이 텅스텐 표적에 충돌했던 과거 실험 데이터들을 분석함으로써, 연구자들은 관찰된 뮤온 쌍의 패턴을 표준 양자 이론에 기반한 복잡한 컴퓨터 계산과 비교했습니다. 결과에 따르면 표준 이론이 일부 데이터를 설명할 수는 있었지만, 그 자체만으로는 모든 것을 설명할 수 없었습니다. 구체적으로, 데이터는 뮤온이 출현하는 각도에서 순수 이론적 예측과는 다른 뚜렷한 패턴을 보여주었습니다. 이러한 편차는 보어-뮬더스 효과의 존재를 시사합니다. 나아가, 이러한 새로운 발견을 이전의 전자 산란 실험 결과와 결합했을 때, 쿼크의 운동과 스핀 사이의 상관관계가 두 가지 서로 다른 유형의 충돌 사이에서 방향이 반전된다는 아이디어를 강력하게 뒷받침합니다. 이 확인은 프로브(탐침)가 어떤 방식으로 발사되느냐에 관계없이 양성자 내부를 지배하는 법칙이 보편적이라는 사실을 증명하는 데 있어 중요한 단계입니다.

이러한 확인된 발견을 넘어, 이 논문은 새로운 지평선인 일반화된 파톤 분포(generalized parton distributions)를 연구하는 방향을 제시합니다. 이는 쿼크가 어떻게 움직이는지뿐만 아니라, 양성자 내부의 어디에 위치하는지까지 설명하는 더 복잡한 지도입니다. 이러한 지도들은 전자 빔을 통해 부분적으로 그려졌지만, 본 논문은 일본의 J-PARC 시설에서 파이온 빔을 사용하여 이 그림을 완성하는 새로운 방법을 제안합니다. 연구진은 고에너지 파이온을 양성자에 발사하여, 파이온과 양성자가 충돌하여 가상 광자를 생성하고 이것이 즉시 뮤온 쌍으로 붕괴하면서 양성자는 온전하지만 중성자로 변하는 매우 특이하고 희귀한 사건을 찾는 계획을 설계했습니다. 이는 신호가 다른 충돌에서 발생하는 배경 소음에 비해 매우 작기 때문에 매우 어려운 측정입니다. 그러나 상세한 시뮬레이션에 따르면, 전용 빔라인과 특정 검출기 설정을 갖춘다면 이러한 희귀 사건들을 분리해 내는 것이 가능하다는 것을 보여줍니다. 시뮬레이션은 15-GeV 파이온 빔으로 약 50일 동안 실험을 수행하면 양성자의 내부 구조에 대한 서로 다른 이론적 모델들을 구별할 수 있을 만큼 충분한 데이터를 생성할 수 있음을 나타냅니다.

이 새로운 측정을 향한 경로는 J-PARC에서 고운동량 파이온 빔라인을 단계적으로 구축하는 과정을 포함합니다. 초기 테스트를 통해 실험에 필요한 이차 입자들이 이미 성공적으로 식별되었으며, 빔의 강도가 예측치와 일치함을 확인했습니다. 만약 성공한다면, 이 실험은 강입자 빔을 이용한 시간 유사 과정을 통해 양성자 구조를 직접 들여다보는 첫 사례가 될 것이며, 전자 산란을 통해 얻은 공간 유사 관점과 상호 보완적인 시각을 제공할 것입니다. 물리학자들은 이러한 서로 다른 충돌 환경에서도 동일한 근본 법칙이 적용됨을 확인함으로써, 핵자의 3차원적인 종합적인 그림을 완성하고자 합니다. 이 작업은 단순히 누락된 데이터를 채우는 것이 아니라, 우리가 물질을 조사하는 방식이 달라지더라도 물질이 어떻게 구축되는지에 대한 우리의 이해가 유효하다는 것을 보장함으로써 자연의 근본적인 대칭성을 엄격하게 검증하는 것입니다.