빅뱅 이후 처음 100만분의 1초 동안 우주는 쿼크와 글루온으로 구성된 1조도 온도의 버블링 플라즈마였습니다. 그리고 일반 물질의 양성자.
사전 냉각 카오스에서 이러한 쿼크와 글루온 중 일부는 무작위로 충돌하여 수명이 짧은 "X" 입자를 형성했으며, 그 이름은 신비하고 알려지지 않은 구조로 인해 명명되었습니다. 물리학자들은 고에너지 충돌이 유사한 쿼크-글루온 플라즈마 폭발을 생성할 수 있는 쿼크 융합의 입자 가속기에서 생성될 수 있다고 추측하지만 X-입자는 극히 드물어야 합니다.
이제 물리학자들은 스위스 제네바 근처에 위치한 유럽 핵 연구 기구인 CERN의 LHC(Large Hadron Collider)에서 생성된 쿼크-글루온 플라즈마에서 X-입자의 존재 증거를 발견했습니다.
과학자 팀은 기계 학습 기술을 사용하여 각각 수만 개의 하전 입자를 생성하는 130억 개 이상의 중이온 충돌을 테스트했습니다. 이 고에너지 입자의 초고밀도 수프 중에서 연구원들은 입자의 추정 질량을 따서 명명된 X(3872)로 알려진 약 100개의 X형 입자를 분리할 수 있었습니다.
Physical Review Letters에 발표된 결과에 따르면 연구원들은 쿼크-글루온 플라즈마에서 X 입자를 처음으로 감지했으며, 이는 입자의 아직 알려지지 않은 구조를 밝혀줄 매질입니다.
“이것은 이야기의 시작일 뿐입니다.”라고 주저자인 MIT 물리학 교수인 Yen-Jie Lee가 말했습니다. “우리는 신호를 찾을 수 있음을 보여주었습니다. 앞으로 몇 년 동안 우리는 쿼크-글루온 플라즈마를 사용하여 X-입자의 내부 구조를 연구하고 싶습니다. 이것은 우주가 어떤 종류의 물질을 생산해야 하는지에 대한 우리의 이해를 바꿀 수 있습니다.”
이 연구의 공동 저자는 LHC의 입자 탐지기 중 하나인 Compact Muon Solenoid에서 데이터를 작동하고 수집하는 국제 과학자 팀인 CMS Collaboration의 구성원입니다.
물질의 기본 구성 요소는 중성자와 양성자이며 각각 밀접하게 관련된 세 개의 쿼크로 구성되어 있습니다.
“몇 년 동안 우리는 자연이 단지 2개 또는 3개의 쿼크인 입자를 생성하기로 결정했다고 생각했습니다.
최근에야 물리학자들은 4개의 쿼크의 희귀한 조합으로 구성된 입자인 이국적인 "테트라쿼크"의 징후를 알아차리기 시작했습니다. 과학자들은 X(3872)가 소형 테트라쿼크이거나 원자가 아니라 두 개의 약하게 결합된 중간자로 만들어진 완전히 새로운 유형의 분자라고 생각합니다.
X(3872)는 고에너지 전자와 양전자를 충돌시키는 일본의 충돌기인 Belle 실험의 일부로 2003년 처음 발견되었습니다. 그러나 이러한 환경에서는 과학자들이 구조를 자세히 연구하기에는 희귀 입자가 너무 빨리 붕괴됩니다.
X(3872) 및 기타 외래 입자는 쿼크-글루온 플라즈마에서 더 잘 조명될 수 있다고 제안되었습니다.
그들의 새로운 연구에서 물리학자들은 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)에서 중이온 충돌에 의해 생성된 쿼크-글루온 플라즈마에서 X-입자의 징후를 찾고 있습니다. 그들은 130억 개 이상의 납 이온 충돌이 포함된 2018년 LHC 데이터 세트에 대한 분석을 기반으로 했습니다. 각 충돌은 쿼크와 글루온을 방출하여 냉각 및 붕괴되기 전에 100조 개 이상의 단명 입자를 형성하기 위해 흩어지고 병합되었습니다.
"쿼크-글루온 플라즈마가 형성되고 냉각된 후, 너무 많은 입자가 형성되어 배경이 압도적이 되었습니다"라고 과학자들은 말합니다. "그래서 우리는 결국 우리 데이터에서 X-입자를 볼 수 있도록 배경을 낮춰야 했습니다."
이를 위해 연구원 팀은 X-입자의 붕괴 패턴 특징을 강조하기 위해 가르친 기계 학습 알고리즘을 사용했습니다. 쿼크-글루온 플라즈마에서 입자가 형성된 직후, 그들은 "딸" 입자로 빠르게 붕괴되어 날아가 버립니다. 입자 X의 경우 이 감쇠 패턴 또는 각도 분포는 다른 모든 입자와 다릅니다.
연구원들은 X-입자 붕괴 패턴의 모양을 설명하는 주요 변수를 확인했습니다. 그들은 이러한 변수를 인식하도록 기계 학습 알고리즘을 훈련시킨 다음 LHC에서 충돌 실험의 실제 데이터를 알고리즘에 제공했습니다. 알고리즘은 X-입자 붕괴의 결과일 가능성이 있는 주요 변수를 선택하기 위해 극도로 조밀하고 노이즈가 많은 데이터 세트를 선별할 수 있었습니다.
결과적으로 물리학자들은 입자 X(3872)의 존재를 나타내는 신호를 보기 위해 배경을 몇 배 정도 줄일 수 있었습니다. 입자는 약 100개에 불과했습니다.
연구원들은 "이렇게 거대한 데이터 세트에서 100개의 입자를 분리할 수 있다는 것은 거의 상상할 수 없는 일"이라고 말했습니다.
내년 또는 2년 안에 과학자들은 X 입자의 구조를 파악하는 데 도움이 되는 훨씬 더 많은 데이터를 수집할 계획입니다. 입자가 단단히 결합된 테트라쿼크라면 느슨하게 결합된 분자보다 더 천천히 붕괴해야 합니다.
이제 물리학자 팀은 쿼크-글루온 플라즈마에서 X 입자를 감지할 수 있음을 보여주었으므로 X 입자의 구조를 결정하기 위해 쿼크-글루온 플라즈마를 사용하여 이 입자를 더 자세히 연구할 계획입니다.
“현재 우리의 데이터는 아직 충분한 통계가 없기 때문에 두 가지 시나리오와 일치합니다. 앞으로 몇 년 동안 훨씬 더 많은 데이터를 수집하여 이 두 시나리오를 분리할 수 있을 것입니다.”라고 이옌지가 말했습니다. "이것은 초기 우주에서 풍부하게 생성된 입자의 종류에 대한 우리의 이해를 확장할 것입니다."
이 연구는 Physical Review Letters에 게재되었습니다.
2022-02-06 19:02:35
작가: Vitalii Babkin