“양성자 정체의 주인공은 쿼크가 아니라 글루온이었다”

수십 년 동안 교과서 속 양성자의 모습은 단순했다. 세 개의 쿼크가 글루온에 묶여 있고, 각 쿼크가 양성자의 '중입자수'—양성자를 안정하게 유지하고 물질과 반물질을 구별하는 양자적 성질—의 일부를 나누어 가진다는 그림이다. 이 오랜 통념이 무너질지도 모른다.

STAR 국제공동연구진이 학술지 사이언스에 발표한 결과는 양성자의 중입자수가 세 개의 '가치 쿼크(valence quark)'가 아니라, 글루온 장의 비섭동적 위상학적 구조인 Y자형 '글루온 접합(gluon junction)' 에 의해 운반된다는 첫 실험 증거를 제시했다 .

STAR 실험의 세 가지 결정적 증거

STAR 연구팀은 중입자수가 쿼크를 따라 이동하는지, 아니면 글루온을 따라 이동하는지를 확인하기 위해 세 가지 독립적인 실험을 설계했다 .

1. 이소바(isobar) 충돌 (루테늄-루테늄 vs. 지르코늄-지르코늄)

두 원자핵이 전하만 다르고 질량이 거의 동일한 '이소바' (루테늄과 지르코늄)를 충돌시켜 충돌 지점 주변(중간 급속도 영역)에 '중입자수'와 '전하'가 얼마나 많이 멈추는지 비교했다. 만약 가치 쿼크가 전하와 중입자수를 동일하게 운반한다면, 순중입자(net-baryon)와 순전하(net-charge) 차이의 비율은 단순한 예측을 따라야 한다. 그러나 STAR 팀이 측정한 결과, 실제 중입자 운반량은 가치 쿼크 모형이 예측한 값보다 약 두 배 많았다 .

2. 광자-금 충돌 (초주변 충돌)

하나의 금 원자핵에서 나온 광자가 다른 금 원자핵과 충돌하는 '초주변 충돌(ultra-peripheral collision)'에서, 실험은 운동 방향을 따라 '양성자 생성량'을 측정했다. 급속도 비대칭성(rapidity asymmetry)이 쿼크 운반 모형보다 훨씬 덜 두드러졌으며, 이 역시 다른 운반체가 있음을 가리켰다 .

3. 금-금 충돌에서의 양성자 생성량

RHIC의 여러 충돌 에너지에서 측정된 순양성자(net-proton) 멈춤(stop)의 기울기는 지수 함수를 따랐으며, 적합 매개변수 α_B = 0.61 ± 0.03이 산출됐다. 이는 레제 이론(Regge theory)에 기반한 중입자 접합(baryon junction) 운반과 일치하며, 쿼크 기반 운반 모형과는 배치된다 .

세 가지 측정 모두 동일한 결론으로 수렴했다: 데이터는 '가치 쿼크 그림을 기각한다' .

50년 된 가설의 부활: 중입자 접합

글루온의 위상학적 구조가 중입자수를 운반할 수 있다는 아이디어는 1970년대에 처음 제안됐다. 이 '중입자 접합(baryon junction)' 또는 '끈 접합(string junction)' 모형에서는, 글루온 장이 Y자 형태로 배열된 구조가 양성자의 중심에 자리 잡고 중입자수 1(B=1) 전체를 보유하며, 전하는 0이다 .

이 관점에서 세 개의 가치 쿼크는 각각 1/3의 중입자수를 나누어 갖지 않는다. 대신, 쿼크는 마치 나뭇가지가 줄기에 붙어 있듯 접합부에 매달려 있다. 양성자가 고에너지로 충돌할 때, 이 '글루온 접합'은 고속도의 쿼크보다 훨씬 쉽게 멈춘다. 접합의 에너지는 빔 방향에 수직으로 분사되는 새로운 중입자로 전환되는 반면, 쿼크 자체는 전방으로 계속 나아간다 .

이것이 중요한 이유: 글루온 물질에 대한 이해의 지평을 넓히다

이 발견은 기초 물리학의 여러 측면을 재구성한다:

• 보존 양자수의 운반자로서의 글루온: 글루온은 더 이상 단순히 쿼크를 묶는 '풀(glue)'이 아니다. 보존된 양자 성질의 일차적 소재지가 될 수 있으며, 이는 글루온 물질이 보통 물질의 구조에서 더 직접적인 역할을 한다는 것을 의미한다 .

• 물질-반물질 비대칭의 실마리: 중입자수 운반은 초기 우주에서 핵심적인 과정이다. 중입자수가 어떻게 운반되고 멈추는지를 이해하는 것은 물질-반물질 비대칭 문제에 대한 강력한 실험적 단서를 제공한다 .

• 이국적인 QCD 상태: 이 결과는 중입성 글루볼(baryonium glueballs)이나 글루온 '버키볼(buckyballs)'과 같은 가상 상태의 이론적 존재를 뒷받침한다. 이는 가치 쿼크 없이 글루온만으로 완전히 구축되어 중입자수를 운반하는 상태다 .

앞으로의 과제

RHIC에서 STAR 검출기의 해체가 진행 중인 가운데, 이 결과들은 더욱 면밀히 검토될 것이다. 브룩헤이븐연구소에 건설 중인 차세대 전자-이온 충돌기(EIC)는 물질의 글루온 구조를 더욱 정밀하게 탐구하도록 설계되어, 이번 발견을 보완하는 측정을 수행할 수 있을 것이다 .

당분간, 양성자의 정체는 순수 글루온 장이 만든 Y자형 매듭에 달려 있는 것으로 보인다. 이는 가장 친숙한 입자조차도 여전히 깊은 비밀을 간직하고 있음을 상기시켜 준다.