물리학자들, 빅뱅 초기 물질 재현에 거대한 우주 망치 필요 없다 인정

수십 년 동안 쿼크-글루온 플라스마(QGP)를 만드는 규칙은 간단했다. QGP는 우주 탄생 후 첫 백만 분의 1초 동안 우주를 채웠던 속박되지 않은 쿼크와 글루온의 초고온 수프다. 가장 큰 원자핵을 가져오면 된다. 구체적으로는 LHC 실험에서 일반적으로 사용되는 양성자보다 200배 이상 무거운 납이다. 그러한 중량급 원자핵만이 태양 중심보다 10만 배 이상 높은 온도에서 양성자와 중성자가 서로를 붙잡지 못하고 구성 쿼크와 글루온으로 분해되는 데 필요한 엄청난 압력과 열을 생성할 수 있다고 가정했다.

우주는 그보다 더 검소했던 모양이다. 대형 강입자 충돌기(LHC)에서 사상 최초의 산소 충돌이 있은 지 1년 후, LHC의 네 주요 연구 협력단체인 ALICE, ATLAS, CMS, LHCb는 모두 산소와 네온 원자핵이 충돌할 때 이 원시 물질 형태가 나타날 수 있다는 징후를 보고했다. 그렇다. 산소와 네온. 가벼운 것들. 참가상 원자핵들.

이 결과는 그러한 극한 물질을 만드는 데 필요한 엄청난 힘에 대한 오랜 가정에 도전하며, 과학자들에게 우주 초기 순간의 조건을 조사할 새로운 방법을 제공한다.

QGP를 확인하는 가장 명확한 방법 중 하나는 고에너지 쿼크와 글루온이 QGP를 통과하려 할 때 어떤 일이 일어나는지 관찰하는 것이다. 이 입자들이 극도로 뜨겁고 밀도 높은 물질을 통과하면서 에너지 일부를 잃는다. 과학자들은 이를 파르톤 에너지 손실이라고 부르며, QGP가 형성되었다는 유용한 단서다. ATLAS 협력단체는 산소-산소 및 네온-네온 충돌에서 생성된 입자 제트 쌍, 즉 고에너지 쿼크와 글루온이 충돌에서 나올 때 생성되는 집중된 입자 흐름을 연구하여 이 효과를 명확히 감지했다. 연구원들은 쌍을 이룬 제트 사이의 에너지 차이를 관찰했으며, 이는 일부 입자가 주변 물질을 통과하면서 에너지를 잃었음을 나타낸다. 이 효과는 더 직접적인 정면(중심) 충돌에서 특히 두드러졌는데, 이러한 충돌은 더 큰 부피의 플라스마를 생성하여 입자가 통과할 물질을 더 많이 제공하고 더 큰 에너지 손실을 초래할 것으로 예상된다. 예비 ATLAS 결과는 이를 뒷받침한다. 광자와 반대 방향으로 반동하는 하전 입자를 조사함으로써 연구원들은 에너지 손실과 원자핵 충돌의 중심성 사이에 유사한 관계를 발견했다.

ALICE, CMS, LHCb는 다른 접근 방식으로 동일한 근본 과정을 찾았다. 주로 제트 에너지에 초점을 맞추는 대신, 플라스마가 특정 고에너지 입자의 생성을 감소시키는 방식으로 보이는지를 조사했다. CMS는 양성자-양성자 충돌과 비교하여 산소-산소 및 네온-네온 충돌 모두에서 하전 입자 생성이 억제되었음을 발견했다. 이는 입자가 QGP 내부에서 에너지를 잃는 것과 일치하며, 더 가벼운 원자핵이 관련된 충돌에서도 이 이국적인 물질이 형성될 수 있다는 추가 증거다. LHCb는 별도 연구에서 또 다른 중요한 단서를 보고했는데, 매력 쿼크와 더 가벼운 쿼크를 포함하는 입자를 조사하고 산소 및 네온 충돌에서 그 생성이 얼마나 강하게 억제되었는지 비교했다. 억제는 더 무거운 네온 충돌에서 더 두드러졌는데, 이는 더 큰 충돌이 더 많은 부피의 플라스마를 생성하여 입자가 통과할 때 더 많은 에너지를 잃게 한다는 과학자들의 예상과 정확히 일치하는 행동이다.

그러나 입자 생성 감소가 반드시 에너지 손실이 원인임을 증명하지는 않는다. 다른 물리적 과정도 잠재적으로 유사한 효과를 생성할 수 있다. 그래서 ALICE는 또 다른 유형의 아원자 입자인 중성 파이온의 생성을 산소-산소 및 양성자-산소 충돌에서 비교했다. 이 비교는 산소-산소 충돌에서 파르톤 에너지 손실에 대한 명백한 증거를 제공하여, 상대적으로 작은 원자핵 충돌조차도 QGP와 관련된 조건을 생성할 수 있다는 주장을 강화했다.

연구원들은 또한 또 다른