20세기 중반에 과학자들은 양성자가 시계의 진동처럼 공명하는 능력을 가지고 있다는 사실을 발견했습니다. 그 후 30년 동안 양성자의 3차원 이미지는 계속해서 발전했으며 바닥 상태의 양성자의 구조에 대한 더 깊은 이해가 얻어졌습니다. 그러나 공명 양성자의 3차원 구조에 대한 이해는 여전히 제한적입니다.

미국 에너지부의 토마스 제퍼슨 국립 가속기 시설에서 실시된 최근 실험에서는 양성자와 중성자 공명의 3차원 구조를 조사했습니다. 이번 연구는 빅뱅 이후 처음으로 혼돈이 나타난 우주의 모습에 대한 또 다른 퍼즐 조각을 제공합니다.

핵자의 기본 특성과 행동을 연구하는 것은 물질의 기본 구성 요소를 이해하는 데 중요한 단서를 제공합니다. 핵자는 원자의 핵을 구성하는 양성자와 중성자를 말합니다. 각 핵자는 3개의 쿼크로 구성되며, 자연에서 가장 강한 힘인 강한 상호작용 하에 글루온에 의해 결합됩니다.

핵의 가장 안정적이고 가장 낮은 에너지 상태를 바닥 상태라고 합니다. 그러나 핵자가 고에너지 상태로 강제로 여기되면 핵자의 쿼크가 서로 회전하고 진동하여 핵자 공명이라는 현상이 나타납니다.

CLAS 협력을 주도하고 있는 독일 기센에 있는 Justus Liebig 대학(JLU)과 코네티컷 대학의 물리학자들로 구성된 팀은 이러한 핵자 공명을 탐구하기 위한 실험을 수행했습니다. 실험은 Jefferson Laboratory의 세계적 수준의 연속 전자빔 가속기 시설(CEBAF)에서 수행되었습니다. CEBAF는 전 세계 1,800명 이상의 핵물리학자들의 연구를 지원하는 에너지부 과학실의 사용자 시설입니다. 이번 연구 결과는 최근 권위 있는 동료 평가 저널인 Physical Review Letters에 게재되었습니다.

분석 팀의 리더인 Stefan Diehl은 팀의 연구를 통해 핵 공명의 근본적인 특성이 드러났다고 말했습니다. Diehl은 Union University of Giessen의 Institute of Physics II의 박사후 연구원이자 프로젝트 리더이며 University of Connecticut의 연구 교수입니다. 이 연구는 또한 공명 양성자의 여기 과정과 3차원 구조에 대한 새로운 연구를 촉진합니다.

"이 여기 상태의 3차원 특성에 민감한 측정과 관찰을 수행한 것은 이번이 처음입니다"라고 Diehl은 말했습니다. "원칙적으로 이것은 시작에 불과하며 이러한 측정은 새로운 연구 분야를 열어줍니다."

실험은 2018~2019년 실험홀 B에서 제퍼슨 연구소의 CLAS12 검출기를 사용해 진행됐다. 고에너지 전자 빔이 냉각된 수소 가스 챔버로 공급됩니다. 전자는 표적의 양성자와 충돌하여 내부의 쿼크를 여기시키고 쿼크-반쿼크 상태(소위 중간자)와 결합하여 핵자 공명을 생성합니다.

이러한 여기는 일시적이지만 들뜬 입자의 에너지 분열에 의해 생성되는 새로운 입자의 형태로 존재에 대한 증거를 남깁니다. 이 새로운 입자는 탐지기가 포착할 수 있을 만큼 길기 때문에 연구팀은 공명을 재구성할 수 있습니다.

Diehlet al. 최근 이탈리아 트렌토에서 열린 "과도형 GPD를 사용한 공진 구조 탐색" 공동 워크숍에서 그들의 결과를 논의했습니다. 이 연구는 두 이론 그룹이 관련 논문을 출판하도록 영감을 주었습니다.

연구팀은 또한 Jefferson Lab에서 다양한 표적과 양극화를 사용하여 추가 실험을 수행할 계획입니다. 극성화된 양성자로부터 전자 산란을 통해 산란 과정의 다양한 특성을 얻을 수 있습니다. 또한 공명을 생성하기 위해 고에너지 광자를 결합하는 것과 같은 유사한 프로세스에 대한 연구도 더 중요한 정보를 제공할 수 있습니다.

Diehl은 이러한 실험을 통해 물리학자들은 빅뱅 이후 초기 우주의 특성을 파악할 수 있다고 말했습니다. "처음에 초기 우주에는 쿼크와 ​​글루온으로 구성된 일부 플라즈마만 있었는데, 이러한 플라즈마는 에너지가 너무 높아 회전하고 있었습니다. 그러다가 어느 시점에서 물질이 형성되기 시작했고 가장 먼저 형성된 핵 상태는 들뜬 핵 상태였습니다. 우주가 더 팽창하자 냉각되어 바닥 상태 핵이 나타났습니다."

"이러한 연구를 통해 우리는 이러한 공명의 특성을 이해할 수 있습니다. 이는 우주의 물질이 어떻게 형성되었는지, 그리고 우주가 그러한 형태로 존재하는 이유를 알려줄 것입니다."