양성자의 ‘바리온 수’는 쿼크가 아니라 ‘글루온 접합부’가 운반한다

양성자를 구성하는 가장 작은 입자인 쿼크 세 개는 이제 그 역할을 나눠 가져야 할지도 모릅니다. 미국 브룩헤이븐 국립연구소(BNL)의 상대론적 중이온 충돌기(RHIC) 내 STAR 검출기 연구진이 '사이언스(Science)' 저널에 발표한 최신 연구에 따르면, 양성자의 핵심 정체성 중 하나인 ‘바리온 수(baryon number)’는 세 개의 쿼크가 아닌, 이들을 묶고 있는 Y자 모양의 ‘글루온 접합부(gluon junction)’가 운반한다는 사실이 밝혀졌습니다 .

세 가지 독립적 실험이 증명한 ‘글루온 접합부’

연구진은 세 가지 방식의 실험을 통해 이 결론을 도출했습니다 .

1. 아이소바 충돌 (Ru+Ru vs. Zr+Zr): 루테늄(Ru)과 지르코늄(Zr)은 양성자 수는 같지만 중성자 수가 다른 동중 원자핵입니다. 이들을 각각 충돌시켜 생성된 입자의 전하(전기량)와 바리온 수를 비교한 결과, 전하와 바리온 수의 거동이 분리되어 나타났습니다.
2. 광자-금 충돌 (γ+Au): 금 원자핵에 고에너지 광자를 충돌시키는 실험에서도 예상보다 더 많은 바리온이 검출기 중앙부로 운반되는 현상이 관측되었습니다.
3. 금-금 충돌 (Au+Au): 기존의 금-금 핵 충돌 데이터를 재분석한 결과에서도 바리온 수의 운반 양상이 일관되게 나타났습니다.

이 세 가지 측정 결과는 모두 전통적인 원자가 쿼크 모형(각 쿼크가 B=1/3의 바리온 수를 나눠 가짐)으로는 설명할 수 없는 과잉의 바리온 운반을 보여주었습니다. 반면, 1970년대에 제안된 ‘바리온 접합 가설’과 정확히 일치했습니다. 이 가설은 쿼크를 연결하는 글루온 장(gluon field)의 위상적 구조인 Y자형 접합부 자체가 바리온 수 전체(B=1)를 담당하며 전기 전하는 0이라고 주장합니다 .

발견의 중요성: 글루온의 새로운 역할과 우주의 비밀

이 발견은 단순히 양성자 내부 구조에 대한 이해를 넘어, 더 넓은 물리학적 함의를 지닙니다.

• 글루온의 역할 재정의: 기존에 글루온은 단순히 쿼크를 결합시키는 ‘접착제’ 역할만 하는 것으로 알려졌습니다. 하지만 이번 발견은 임을 보여줍니다 .