펜타쿼크

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1. 개요
2. 역사
3. 구조
- 3.1. 쿼크 구성
- 3.2. 결합 메커니즘
4. 응용
- 4.1. 중성자별 연구
- 4.2. 중이온 가속기 연구
참조

1. 개요

펜타쿼크는 4개의 쿼크와 1개의 반쿼크로 구성된 아원자 입자이다. 1987년 명명되었지만, 쿼크의 존재가 확인된 1964년부터 그 가능성이 예측되었다. 2000년대 중반에 펜타쿼크 발견 주장이 제기되었으나 재현성 부족으로 논란이 있었고, 2006년과 2008년에 초기 주장이 잘못되었음이 밝혀졌다. 이후 2015년, 2019년, 2022년에 LHCb 실험을 통해 새로운 펜타쿼크가 발견되었다. 펜타쿼크 연구는 강력과 양자 색역학에 대한 이해를 높이고, 중성자별의 물리학 연구에 기여할 수 있으며, 대한민국에서는 중이온 가속기 라온을 활용하여 펜타쿼크 연구를 진행할 계획이다.

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펜타쿼크

2. 역사

펜타쿼크라는 이름은 1987년 해리 J. 립킨과 클로드 기누스에 의해 만들어졌다.^[14] 그러나 5쿼크 입자의 가능성은 1964년 머레이 겔만이 쿼크의 존재를 처음 가정했을 때 이미 확인되었다.^[14] 수십 년 동안 예측되었지만, 펜타쿼크는 발견하기가 매우 어려운 것으로 판명되었고 일부 물리학자들은 알려지지 않은 자연 법칙이 그들의 생산을 방해한다고 의심하기 시작했다.

2003년 일본의 LEPS에서 펜타쿼크 발견에 대한 첫 번째 주장이 제기되었고, 2000년대 중반의 몇몇 실험에서도 다른 펜타쿼크의 발견이 보고되었다. 그러나 다른 이들은 LEPS의 결과를 복제할 수 없었고, 다른 펜타쿼크 발견은 잘못된 데이터와 통계 분석으로 인해 받아들여지지 않았다.

2. 1. 2000년대 중반의 논란

2000년대 중반, 펜타쿼크의 존재 여부를 둘러싼 논란이 과학계를 뜨겁게 달궜다. 2003년 일본의 LEPS 실험에서 의 질량을 가진 펜타쿼크, 를 발견했다는 주장이 제기되었다.^[14] 이는 1997년에 예측된 의 질량을 가진 펜타쿼크 상태와 일치하는 것이었다.^[15] 이 발표 이후, 다른 9개의 독립적인 실험에서도 과 에서 에서 사이의 질량을 가진 좁은 피크를 발견했다는 보고가 이어졌다.^[14]

그러나 이러한 초기 발견 주장들은 곧 과학계의 엄격한 검증 과정에 직면했다. 다른 연구 그룹들이 LEPS의 결과를 재현하는 데 실패했고,^[11] 데이터 분석과 통계적 방법에 대한 의문이 제기되었다. 특히, 제퍼슨 연구소에서 수행된 두 번의 고(高) 통계적 유의성을 가진 실험은 초기 긍정적 결과들이 잘못되었음을 명확히 보여주었다.^[14] 결국, 2006년 입자 물리학 검토는 펜타쿼크, 특히 가 존재하지 않는다는 결론을 내렸다.^[14] 2008년에는 "발견 자체, 이어진 이론가와 현상학자들의 논문 홍수, 그리고 결국의 '미발견'은 과학 역사의 흥미로운 에피소드이다."라고까지 언급하며 펜타쿼크 존재에 대한 회의적인 입장을 분명히 했다.^[6]

그럼에도 불구하고, LEPS는 의 질량을 가진 좁은 상태가 존재하며, 통계적 유의성은 5.1 σ라는 결과를 계속해서 발표했다.^[16] 하지만, 이러한 LEPS의 결과는 결함 있는 방법론으로 인한 것으로 비판받았다.

이 논란은 과학적 발견이 어떻게 검증되고, 때로는 반증되는지를 보여주는 사례로 남았다. 대한민국 과학계에서도 이 사건은 연구 윤리와 방법론에 대한 중요성을 다시 한번 환기하는 계기가 되었다.

2. 2. 2015년 LHCb의 발견

2015년 7월, CERN의 LHCb 협력단은 바닥 람다 바리온(

\Lambda_b^0

)이 J/ψ 중간자(J/ψ), 카온(

K^-

) 및 양성자(p)로 붕괴되는 과정(

\Lambda_b^0 \rightarrow J/\psi K^- p

)에서 펜타쿼크를 확인했다.^[3] 그 결과는

\Lambda_b^0

가 중간 람다 상태를 거치는 대신 중간 펜타쿼크 상태를 거쳐 붕괴된다는 것을 보여주었다.

P_c^+(4380)

및

P_c^+(4450)

로 명명된 두 상태는 각각 9σ와 12σ의 개별적인 통계적 유의성을 가졌으며, 결합된 유의성은 15σ로 공식적인 발견을 주장하기에 충분했다. 분석 결과, 이러한 효과가 기존 입자에 의해 발생했을 가능성은 배제되었다.^[3] 두 펜타쿼크 상태는 모두 J/ψp로 강하게 붕괴되는 것으로 관찰되었으므로, 두 개의 위 쿼크, 한 개의 아래 쿼크, 한 개의 charm 쿼크, 그리고 한 개의 반 charm 쿼크 (

uudc\bar{c}

)의 유효 쿼크 구성을 가져야 하며, 이는 차암 쿼크-펜타쿼크를 만든다.^[7]^[10]^[17]

펜타쿼크 탐색은 LHCb 실험의 목적이 아니었으며(주로 물질-반물질 비대칭성을 조사하도록 설계됨),^[18] 펜타쿼크의 발견은 실험 물리학 코디네이터에 의해 "사고"이자 "우연히 발견한 것"으로 묘사되었다.^[12]

파인만 도표는 람다 바리온 $\Lambda_b^0$ 가 카온 $K^-$ 과 펜타쿼크 $P_c^+$ 로 붕괴되는 것을 나타낸다.

2. 3. 2019년 이후의 추가 발견

2019년 3월 26일, LHCb 공동작업은 이전에는 관찰되지 않았던 새로운 펜타쿼크의 발견을 발표했다. 이들의 관측치는 새로운 입자의 발견을 주장하는 데 필요한 임계값(5 시그마)를 통과했다.^[8] LHCb 협력단은 2015년 데이터 세트보다 훨씬 더 큰 데이터 세트를 사용하여 5-시그마 임계값을 넘는 관측을 기반으로 새로운 펜타쿼크를 발견했다.^[8]

P_c(4312)⁺ (P_c⁺는 참매늄 펜타쿼크를 식별하고 괄호 안의 숫자는 약 4312 MeV의 질량을 나타냄)로 지정된 펜타쿼크는 양성자와 J/ψ 중간자로 붕괴된다. 분석 결과, 이전에 보고된 P_c(4450)⁺ 펜타쿼크의 관측이 실제로 P_c(4440)⁺ 및 P_c(4457)⁺로 지정된 두 개의 서로 다른 공명 값의 평균이었다는 것이 밝혀졌다. 이에 대한 이해는 추가적인 연구가 필요할 것이다.

2022년 7월 5일, LHCb 협력단은 15-시그마의 유의성을 갖는 또 다른 새로운 펜타쿼크^[24]의 발견을 발표했다. P_ψs^Λ(4338)⁰으로 명명된 이 펜타쿼크는 udsc의 구성을 가지며, 이는 기묘 쿼크를 포함하는 최초로 확인된 펜타쿼크이다.^[25]

3. 구조

펜타쿼크는 4개의 쿼크와 1개의 반쿼크로 구성된다. 쿼크는 강력에 의해 결합되는데, 이때 입자의 색전하를 상쇄하는 방식으로 결합한다. 중간자는 쿼크와 반쿼크가 반대 색전하를 가지도록 짝을 이루고, 중입자는 세 개의 쿼크가 각각 다른 색전하(빨강, 파랑, 녹색)를 가진다. 펜타쿼크 또한 색전하가 상쇄되어야 하며, 이를 위해 한 가지 색의 쿼크 1개, 두 번째 색의 쿼크 1개, 세 번째 색의 쿼크 2개, 그리고 나머지 색을 상쇄할 반쿼크 1개로 구성된다.^[11] 펜타쿼크는 초신성에서 중성자별이 형성되는 과정에서 자연적으로 생성될 수 있으며, 펜타쿼크 연구는 이러한 별들의 형성과 입자 상호작용, 강한 힘에 대한 이해를 높일 수 있다.

3. 1. 쿼크 구성

펜타쿼크는 여러 쿼크 조합으로 구성될 수 있다. 물리학자들은 주어진 펜타쿼크를 구성하는 쿼크를 식별하기 위해 ''qqqq''q'' 표기법을 사용한다. 여기서 ''q''는 위 쿼크, 아래 쿼크, 기묘 쿼크, 맵시 쿼크, 바닥 쿼크, 꼭대기 쿼크를 나타내며, ''q''는 각각의 반쿼크를 나타낸다. 예를 들어, 두 개의 위 쿼크, 하나의 아래 쿼크, 하나의 맵시 쿼크, 하나의 맵시 반쿼크로 구성된 펜타쿼크는 uudcc로 표기된다.^[4]

쿼크는 강력에 의해 결합되며, 입자의 색전하를 상쇄하는 방식으로 작용한다. 중간자에서는 쿼크가 반대 색 전하를 가진 반쿼크와 짝을 이루고(예: 파랑과 반파랑), 중입자에서는 세 개의 쿼크가 빨강, 파랑, 녹색의 세 가지 색 전하를 모두 가진다. 펜타쿼크에서도 색상이 상쇄되어야 하며, 가능한 조합은 한 가지 색상의 쿼크 1개, 두 번째 색상의 쿼크 1개, 세 번째 색상의 쿼크 2개, 그리고 잉여 색상(예: 반파랑)을 상쇄하기 위한 반쿼크 1개를 갖는 것이다.^[11]

2015년 7월에 발견되었을 가능성이 있는 P 타입의 펜타쿼크 도식. 각 쿼크의 맛깔과 가능한 색상 구성을 보여준다.

3. 2. 결합 메커니즘

펜타쿼크의 결합 메커니즘은 아직 명확하게 밝혀지지 않았다. 5개의 쿼크가 강하게 결합된 상태일 수도 있고, 중간자와 중입자가 파이 중간자 교환을 통해 상대적으로 약하게 상호작용하는 '분자' 상태일 수도 있다. 이 파이온 교환은 원자핵을 결합하는 힘과 동일하다.^[3]^[12]^[13]

4. 응용

펜타쿼크 연구는 강력과 양자 색역학에 대한 이해를 심화시키고, 중성자별과 같은 극한 환경의 물리학을 연구하는 데 기여할 수 있다.^[10]

4. 1. 중성자별 연구

펜타쿼크는 초신성 폭발과 중성자 별 형성 과정에서 생성될 수 있다.^[10] 펜타쿼크 연구는 이러한 별들이 어떻게 형성되는지에 대한 통찰력을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 입자 상호작용과 강력에 대한 더 철저한 연구를 가능하게 하며, 중성자별의 물리학을 이해하는 데 도움을 줄 수 있다.^[10]

4. 2. 중이온 가속기 연구

한국에서는 중이온 가속기 라온(RAON)을 활용하여 펜타쿼크를 비롯한 이색적 강입자 연구를 진행할 계획이며, 이는 핵물리 및 입자물리학 분야의 발전에 기여할 것으로 기대된다. 특히, 라온은 펜타쿼크 생성 및 연구에 적합한 환경을 제공하여 국제적인 협력 연구의 중심지가 될 가능성이 있다.

참조

_[1] 논문 Possibility of stable multiquark baryons 1987-07-16
_[2] 논문 New possibilities for exotic hadrons — anticharmed strange baryons
_[3] 간행물 Observation of particles composed of five quarks, pentaquark-charmonium states, seen in Λ{{su|p=0|b=b}}→J/ψpK{{sup|−}} decays http://lhcb-public.w[...] CERN 2015-07-14
_[4] 간행물 Pentaquark discovery confounds sceptics https://www.newscien[...] 2010-01-08
_[5] 웹사이트 Physicists find evidence for an exotic baryon http://www.phy.ohiou[...] Ohio University 2010-01-08
_[6] 논문 Review of particle physics http://pdg.lbl.gov/2[...]
_[7] 논문 Observation of J/ψp resonances consistent with pentaquark states in Λ{{su|p=0|b=b}}→J/ψK⁻p decays
_[8] 웹사이트 LHCb experiment discovers a new pentaquark https://home.cern/ne[...] CERN 2019-04-26
_[9] 웹사이트 Observation of a strange pentaquark, a doubly charged tetraquark and its neutral partner. https://lhcb-outreac[...] 2022-07-05
_[10] 뉴스 Large Hadron Collider scientists discover new particles: pentaquarks https://www.theguard[...] 2015-07-14
_[11] 서적 Hadron Physics IOS Press
_[12] 간행물 Pentaquark discovery at LHC shows long-sought new form of matter https://www.newscien[...] 2015-07-14
_[13] 논문 On the Existence of Heavy Pentaquarks: The large Nc and Heavy Quark Limits and Beyond
_[14] 논문 Review of particle physics: {{SubatomicParticle|Theta+}} http://pdg.lbl.gov/2[...]
_[15] 논문 Exotic anti-decuplet of baryons: prediction from chiral solitons
_[16] 논문 Evidence of the Θ⁺ in the γd→K⁺K⁻pn reaction
_[17] 뉴스 Large Hadron Collider discovers new pentaquark particle https://www.bbc.com/[...] British Broadcasting Corporation 2015-07-14
_[18] 간행물 Where has all the antimatter gone? http://lhcb-public.w[...] CERN 2015-07-15
_[19] 웹사이트 Near threshold J/psi photoproduction and study of LHCb pentaquarks with CLAS12 https://misportal.jl[...]
_[20] 웹사이트 A search for the LHCb charmed "pentaquark" using photoproduction of J/Psi at threshold in hall C at Jefferson Lab https://misportal.jl[...]
_[21] 논문 Production of pentaquarks in pA-collisions 2016-05-03
_[22] 웹사이트 After@LHC http://after.in2p3.f[...]
_[23] 웹사이트 NICA http://nica.jinr.ru/
_[24] 웹사이트 Large Hadron Collider project discovers three new exotic particles https://www.manchest[...] University of Manchester 2023-09-01
_[25] 논문 Observation of a ''J/ψ''Λ Resonance Consistent with a Strange Pentaquark Candidate in ''B^‒'' → ''J/ψ''Λ{{overline|''p''}} Decays 2023-07-17
_[26] 논문 Color fields of the static pentaquark system computed in SU(3) lattice QCD
_[27] 문서 http://blog.miraikan.jst.go.jp/topics/20150719post-615.html(2015年7月19日)

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