25일 유럽입자물리연구소(CERN) 공식 홈페이지에 올라온 보고서에 따르면, 최근 연구에서 대형강입자충돌기(LHC) ATLAS 공동연구팀은 약력의 전기적으로 중성 운반체인 Z 보존을 이용해 기록적인 정확도(불확도 1% 미만)로 강한 힘의 세기를 판별했다고 한다. 관련 논문이 Nature Physics 저널에 제출되었습니다.
입자물리학의 표준모형은 자연에는 강력, 전자기력, 약력, 중력의 4가지 기본 힘이 있으며, 이 중 쿼크를 양성자, 중성자, 원자핵으로 묶는 강한 힘이 가장 강력하다고 설명합니다. 강한 힘은 글루온에 의해 전달되며, 그 강도를 강한 결합 상수라고 합니다. 강한 결합 상수에 대한 과학자들의 이해는 수년간의 측정과 이론 개발을 통해 향상되었지만 그 값의 불확실성은 여전히 다른 "동반자"보다 몇 배 더 큽니다.
CERN의 물리학자이자 분석팀의 일원인 스테파노 카마르다(Stefano Camarda)는 강력의 세기가 표준 모델의 핵심 매개변수이지만 그 정확도는 현재 몇 퍼센트에 불과한 반면, 강력보다 15배 약한 전자기력은 10억 분의 1의 정확도를 가지고 있다고 지적했습니다.
강한 힘 강도 측정의 정확성을 높이기 위해 ATLAS 공동 연구팀은 8테라전자볼트(TeV)의 충돌 에너지로 LHC에서 양성자-양성자 충돌로 생성된 Z 보존을 연구했습니다. Z 보존은 일반적으로 충돌하는 양성자에 있는 두 개의 쿼크가 소멸될 때 생성됩니다. 이 과정에서 강력한 힘은 소멸하는 쿼크에서 방출되는 글루온을 통해 작용합니다. 이 복사는 Z 보존에 횡방향 운동량을 제공하며, 그 크기는 강한 결합 상수에 따라 달라집니다. Z 보존 횡운동량의 분포를 정확하게 측정하고 이를 이론값과 비교함으로써 강한 결합 상수를 결정할 수 있습니다.
연구팀은 최근 분석에서 Z 보존 질량 규모의 강한 결합 상수를 0.1183±0.0009로 정확하게 결정했다. 이 결과의 상대적 불확실성은 0.8%에 불과하며, 이는 현재까지 단일 실험에서 가장 정확한 강도 측정치이다.
연구팀은 강한 결합 상수를 보다 정확하게 측정하는 것이 매우 중요하다고 지적했습니다. 첫째, 강한 힘과 관련된 입자 과정의 이론적 계산의 정확성을 향상시킬 수 있습니다. 둘째, 풀리지 않은 몇 가지 중요한 미스터리를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어 극도로 높은 에너지에서는 모든 기본 힘이 동일한 강도를 갖는지, 잠재적인 공통 원천이 있는지, 특정 과정이나 특정 에너지에서 강한 힘을 변화시킬 수 있는 알려지지 않은 상호작용이 있는지 등을 추론합니다.