양성자를 애니메이션으로 표현하려고 시도하는 프로젝트

물질은 원자로 이루어지고 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있습니다. 원자핵은 양성자와 중성자로 구성되며 양성자는 '쿼크'라고 불리는 입자 3개로 이루어져 있습니다. 양자역학적인 존재이며 어떤 모습인지를 명확하게 파악할 수 없는 양성자에 관한 수백 개의 실험결과를 애니메이션으로 표현함으로써 양성자의 비밀을 밝히려는 프로젝트가 진행되고 있습니다.

Inside the Proton, the ‘Most Complicated Thing’ Imaginable | Quanta Magazine
https://www.quantamagazine.org/inside-the-proton-the-most-complicated-thing-imaginable-20221019/

Inside the Proton, the ‘Most Complicated Thing’ Imaginable

1967년 스탠포드선형가속기센터가 “양성자에 전자를 충돌시키면 튀어나오는 모습이 바뀐다”는 점을 관찰해 양성자는 많은 물질이 포함되어 있다는 연구결과를 발표했습니다. 그 후 몇 번이나 같은 실험이 실시되어 튀어나오는 모습이나 산란된 입자를 회수하는 식으로 양성자의 내부를 다양한 각도로부터 추측할 수 있게 되었다고 합니다. 더욱 높은 에너지를 가지는 전자와 고에너지의 충돌형 가속기를 사용하면서 쿼크의 존재가 나타났습니다.

양성자는 1개의 업쿼크와 2개의 다운쿼크로 되어 있다고 생각되고 있으며 쿼크의 모델을 움직여 양성자의 형태를 추측하는 시도가 행해지고 있습니다.

양성자를 구성하는 쿼크를 애니메이션으로 나타낸 것
https://d2r55xnwy6nx47.cloudfront.net/uploads/2022/10/Proton2_step3.mp4

하드론전자환가속기(HERA)를 이용하여 이루어진 실험에서는 전자가 운동량이 작은 쿼크와 그 반물질인 반쿼크의 소용돌이에서 튕겨졌다는 사실이 확인되었습니다.

쿼크와 그 반물질인 반쿼크의 소용돌이를 애니메이션으로 나타낸 것
https://d2r55xnwy6nx47.cloudfront.net/uploads/2022/10/proton2_step2-longer.mp4

이 결과로 쿼크는 글루온이라는 '힘을 전달하는 입자'에 의해 묶여 있다고 설명되고 각각의 쿼크와 글루온에는 빨강, 녹색, 파랑이라는 3종류의 색전하(Color charge)가 있어 이러한 색을 띤 입자가 자연스럽게 모여 양성자 등의 그룹을 형성하고 중성의 흰색이 된다는 이론이 형성되어 '양자색역학'이라고 불리게 되었다고 합니다.

그러나 검출이 곤란해질 수 있는 쿼크의 존재나 계산의 복잡성 탓에 양성자의 실태는 미해명인 상태입니다. 차세대 실험에서는 2030년대에 전자·이온충돌형가속기를 기동해 HERA가 남겨둔 과제를 계승해 최초로 양성자의 3D 복원도를 작성하기 위한 고해상도 스냅샷을 찍는 것을 계획하고 있다고 합니다.