[사이언스미디어센터] 전문가 의견 'LHC, 별난 강입자(맵시쿼크로만 구성된 테트라쿼크) 특성 측정' (네이처)

1. 테트라쿼크의 생성과 그 특이성
본 실험은 세계에서 가장 강력한 입자가속기인 LHC를 활용하여 매우 별난 입자인 테트라쿼크를 생성하고 그 성질을 유추한 것이다. 여기서 '별난 입자'란 일상생활에서는 만나기 어렵고, 매우 짧은 시간 동안만 존재하는 특별한 입자를 뜻한다.
현재 우리 우주의 원자핵을 이루는 양성자와 중성자는 쿼크 3개로 이루어져 있다. 이와 달리, 쿼크 하나와 반물질쿼크로 이루어진 입자는 중간자라 불리며, 이는 때때로 우주선(cosmic ray) 측정 시 관찰된다. 즉, 우리 우주의 입자는 대부분 쿼크 2개 또는 3개로 구성되어 있다. 그런데 이번에 발견된 입자는 쿼크 4개로 이루어진 매우 희귀한 존재이다. 이 입자들은 이론상으로는 존재가 예측되었지만, 그 실체는 약 20년 전에야 비로소 발견된 진정으로 새로운 입자이며, 이번 논문에서 다룬 입자는 무거운 맵시 쿼크(charm quark) 4개로만 이루어진 '전체 맵시 테트라쿼크(all-charm tetraquark)’로서 발견되지 5년밖에 되지 않은 극도로 특이한 입자이다. 현재 이러한 입자는 입자가속기에서만 만들 수 있지만, 우주가 약 1조 도에 달하는 극도로 뜨거웠던 초기 시절에는 아주 많이 존재했을 것으로 여겨진다. 이 테트라쿼크는 존재가 밝혀졌음에도 불구하고, 그 내부 구조에 대해서는 여전히 미스터리가 많았다. 구체적으로, 이 입자가 4개의 쿼크가 좁은 공간에 서로 단단히 붙어있는 강결합 상태(tightly bound state)인지, 아니면 쿼크 2개씩 붙어 중간자를 만들고 그 중간자들이 다시 약하게 결합한분자 상태(loosely bound molecule)인지가 풀리지 않은 미스테리였다.

2. 테트라쿼크 내부 구조에 대한 단서 발견
원래 LHC 가속기와 CMS 검출기는 힉스 입자를 발견하기 위해 만들어진 초대형 실험 장비이다. 2012년 힉스 입자 발견 이후, 연구는 힉스 입자의 양자역학적 성질(스핀과 패리티)을 밝히기 위해 힉스 입자에서 분리된 2차 입자들의 각 분포를 연구하는 방향으로 진행되었다. 이번 연구는 이 분석 기술을 테트라쿼크에 활용하여 그 성질을 밝혀냈고, 이를 통해 이 입자의 각운동량이 2ℏ (플랑크 상수의 두 배)이며, 패리티(P)와 전하 켤레(C)가 모두 양성(+)이라는 것을 규명했다. 이는 테트라쿼크의 내부 구조에 대한 이론을 정립하는 데 매우 중요한 단서로 쓰일 예정이다. 우주가 극한으로 뜨거웠던 빅뱅 초기에는 별난 입자들이 풍부하게 존재했기 때문에, 이러한 희귀 입자 연구는 초기 우주 환경에 대한 중요한 정보를 제공한다.

3. 한국 연구진의 기여
테트라쿼크는 수명이 매우 짧기 때문에, 입자 검출기에서는 붕괴 산물인 4개의 뮤온 입자로 검철된다. 한국 연구원들은 이러한 뮤온 입자들을 판별하고 운동량을 측정하는 알고리즘을 개발하는 데에 참여했으며, 검출기에 데이터를 수집하는 시스템인 트리거(trigger) 개발에 중요한 기여를 하였다.

*COI: 김용선 교수는 이번 논문의 저자 중 한 명이다.

 

쿼크는 강한 핵력 때문에 홀로 있지 못하고, 반드시 칼라(강한 핵력의 전하)가 0인 상태로만 존재할 수 있습니다. 칼라가 0이 되는 방법은 쿼크-반쿼크 결합상태(메손)가 되거나 다른 칼라를 가진 쿼크 세 개가 결합한 상태(바리온)이 되는 방법이 있고, 이들은 실험에서 잘 관측되었습니다. 한편 4개의 쿼크-반쿼크-쿼크-반쿼크 상태(테트라쿼크)나 쿼크-쿼크-쿼크-쿼크-반쿼크(펜타쿼크) 상태도 이론적으로는 가능하다고 생각되고 있었는데, 2003년 일본의 Belle 실험에서 경상대학교 최수경 교수님 등이 테트라쿼크를 최초로 관측했습니다. 이후 LHC 실험, 특히 주로 LHCb 실험에서 많은 테트라쿼크와 펜타쿼크 상태가 발견되고 있습니다. CMS 역시 이러한 exotic hadron(테트라쿼크, 펜타쿼크 등을 통칭하는 이름)들을 연구해오고 있었습니다. 

이번 발견은 테트라쿼크 중에서도 c-쿼크로만 이루어진 테트라쿼크에 대해서 스핀과 패리티 등의 양자수를 최초로 측정했다는 내용입니다. c-쿼크는 세 번째로 무거운 쿼크로서 양성자보다 무겁기 때문에 1974년에야 처음 발견되었습니다. c-쿼크의 질량은 강한 핵력 이론인 QCD 스케일보다 커서, 이론적으로는 오히려 다루기 쉬운 면이 있습니다. QCD는 높은 에너지가 될수록 결합의 크기가 작아져서 계산이 부분적으로 가능해지기 때문입니다. c-쿼크와 b-쿼크가 이런 쿼크에 속하고, 그래서 이들을 heavy quark라고 부릅니다. 

따라서 이번 발견은, 그 의미로 c-c-cbar-cbar 테트라쿼크(즉 heavy quark로만 이루어진 exotic hadron)의 스핀과 패리티 등의 양자 수를 처음으로 측정했다, 따라서 이 테트라쿼크의 성질을 연구하는 데 크게 도움이 될 수 있다, 정도로 이야기하면 되겠네요.  

 

표준모형에 따르면 모든 물질을 구성하는 최소단위의 입자는 전자나 뮤온과 같은 여섯 종류의 경입자들과 up, down과 같은 여섯 종류의 쿼크들이다. 우리가 잘 알고 있는 양성자나 중성자는 쿼크 세 개로 이루어진 대표적인 중입자(baryon)들이며, 이들을 강하게 묶어주는 매개입자인 파이온은 쿼크 두개로 이루어진 대표적인 중간자(meson)이다. 

전통적인 쿼크 모형에서는, 쿼크는 세 개나 두 개로 안정적인 입자를 구성하는 것으로 잘 알려져 있었으나, 1974년 J/Psi 입자의 발견은 새로운 가능성을 열었다. 이 J/Psi 입자는 당시까지 발견되었던 가벼운 세 개의 쿼크(up, down, strange) 외에 네번째 쿼크인 charm(맵시) 쿼크와 그 반입자로 이루어진 입자로, 이의 존재는 대칭성에 의해 두 개나 세 개 외에도 네 개나 다섯 개로도 안정적인 입자를 구성할 수 있는 가능성을 제기했기 때문이다. 이러한 매혹상태(exotic state)의 존재 여부가 한 때 핵입자 물리학의 뜨거운 이슈가 되었지만 2003년 X(3872)의 발견을 시작으로, X(6900), X(6600), X(7100), Z(3900) 등 많은 매혹상태(exotic state)가 발견되었고, 이제는 이들의 존재 여부에 대해서는 더 이상 이론의 여지가 없다. 최근에 대두되고 있는 이슈는 이 매혹상태가 과연 네 개나 다섯 개 쿼크들이 단단하게 결합된 상태인지, 아니면 메존 두 개가 또는 메존과 바리온이 느슨하게 결합한 상태인지에 대한 논란이다. 

이번 CMS 공동연구진의 논문은 X(6900), X(6600), X(7100) 세 개의 테트라쿼크 상태를 분석하여, 이들의 스핀과 반전성(parity)을 확인함으로써 이 매혹상태들이 네 개의 charm 쿼크가 단단하게 결합된 상태일 확률이 큼을 보였다. 물리학에서는 입자의 상태함수의 대칭성을 분석함으로써 이들의 내부구조를 확인할 수 있는데, 이러한 대칭성에 중요한 역할을 하는 것이 스핀과 반전성이다. 이번 연구에서 다룬 세 개의 매혹상태는 구성하는 쿼크가 모두 charm 쿼크와 그 반입자라는 것이다. 이렇게 동일한 쿼크로 이루어진 상태는 물리량들을 비교적 단순하게 연산할 수 있는 장점이 있고, 또한 무거운 쿼크는 이론적 계산에 용이할 뿐 아니라 무거운 쿼크계가 붕괴되어 만드는 J/Psi 입자들은 실험적으로 관찰이 용이하다. 

연구진은 매혹상태 입자가 J/Psi 두 개로 붕괴되고 다시 J/Psi가 각각 뮤온과 안티뮤온(뮤온의 반입자)으로 붕괴되는 과정을 속아내어, 뮤온이 붕괴되는 각도에 따른 분석을 통하여 여러 가능성들을 차례로 배제함으로써 이 매혹상태들이 스핀이 2이고 반전성(parity)과 전하켤레(charge conjugation)에 대해 대칭적이라는 것을 알아냈다. 이는 이 매혹상태들이 느슨하게 결합하기보다는 단단하게 결합된 상태임을 의미한다. 

이번 연구는 쿼크들을 강하게 결합시키는 강력에 대한 이해를 높이고, 이를 통해 입자들의 구조와 생성 원리에 대한 정보를 제공할 것이다. 이는 초기 우주가 빅뱅에서 출발해서 어떻게 입자와 물질을 생성해서 오늘의 우주에 이르렀는지에 대한 정보와, 나아가 앞으로 우주가 어떻게 진화할지를 알아내는 데 단초를 제공한다. 

이 논문의 저자그룹인 CMS에는 한국연구진이 백명 이상 참여하고 있으며, 데이터 분석뿐 아니라 검출기 개발, 성능 최적화 등 핵심적인 역할을 수행하고 있다. 거대강입자 가속기(LHC)는 유럽 핵입자 물리연구소(CERN)에 설치되어 있는 가속기로 양성자나 납을 빛에 가까운 속도로 가속시켜 정면충돌 시키는 장치이다. 이 강입자 둘레를 따라 크게 네 개의 실험이 행해지고 있으며, 한국에서는 한국과학기술정보통신부의 지원으로 CMS와 ALICE 실험에 참여하고 있다.