CERN이 새롭게 발견한 별난입자 3가지를 보고...새로운 '입자동물원' 시대의 개막이라고 연구자는 평가

by CERN

유럽합동원자핵연구기관(CERN)이 2022년 7월 5일 대형 하드론 충돌형 가속기를 이용한 LHCb 실험으로 기존의 틀에 맞지 않는 새로운 아원자 입자를 3개 관측하는 데 성공했다고 발표했습니다. 이 발견으로 원자의 구조나 물질의 발전과정에 대한 이해가 깊어질 것으로 기대되고 있습니다.

Observation of a strange pentaquark, a doubly charged tetraquark and its neutral partner.
https://lhcb-outreach.web.cern.ch/2022/07/05/observation-of-a-strange-pentaquark-a-doubly-charged-tetraquark-and-its-neutral-partner/

Observation of a strange pentaquark, a doubly charged tetraquark and its neutral partner.

LHCb discovers three new exotic particles | CERN
https://home.cern/news/news/physics/lhcb-discovers-three-new-exotic-particles

소립자의 일종인 쿼크에는 up, down, charm, strange, top, bottom이라는 6가지 종류가 있습니다. 이것들이 2~3개 모여 양성자나 중성자 등을 형성합니다. 예를 들어 양성자는 업쿼크 2개와 다운쿼크 1개인 합계 3개의 쿼크로 이루어진 하드론의 일종(바리온)입니다.

하지만 드물게 4개의 쿼크로 이루어진 테트라쿼크나 5개의 쿼크로 이루어진 펜타쿼크가 생길 수도 있습니다. 통상의 하드론의 틀에 맞지 않는 별난 하드론(이종 하드론)이라고 불리고 있는 이러한 입자는 1960년대에 통상의 하드론과 함께 그 존재가 예언되었지만 LHCb 실험 등에 통해 그 후보가 될 입자가 관측되기 시작한 것은 2000년대에 들어서였습니다.

그리고 지금까지도 별난 하드론을 여러 개 찾아낸 LHCb 실험의 연구팀은 이번에 음의 전하를 가진 B 중간자의 붕괴 순간을 분석함으로써 charm 쿼크, 반 charm 쿼크, up 쿼크, down 쿼크, strange 쿼크로 이루어진 펜타쿼크를 발견하는 데 성공했습니다. CERN은 이에 대해 "소립자 물리학 분야에서 입자를 관측했다고 주장하는데 필요한 5표준편차를 훨씬 초과하는 15표준편차라는 경이적인 통계적 유의성이 있다"고 설명했습니다.

다음은 이번에 발견된 펜타쿼크의 구조로서 유력한 가설을 그림으로 나타낸 것입니다. charm(c), 반 charm(c¯), up(u), down(d), strange(s) 쿼크가 표준 하드론의 쌍으로서 분자와 같은 완만한 결합을 형성하고 있습니다. strange 쿼크를 포함한 펜타쿼크의 존재가 확인된 것은 이것이 처음입니다.

by CERN

또 이번에 이중 전하 테트라 쿼크(왼쪽)와 쌍이 되는 중성 파트너(오른쪽)도 발견되었습니다.

by CERN

LHCb 실험의 물리코디네이터인 닐스 튜닝 씨는 발표에서 “분석할수록 더 많은 별난 하드론이 발견됩니다. 1950년대의 '입자동물원'과 1960년대의 하드론과 쿼크모델의 확립과 비슷한 상황으로 우리는 이른바 '입자동물원 2.0'을 만들고 있는 것”이라고 보았습니다.