기묘체

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1. 개요

기묘체는 쿼크의 특정 조합으로 이루어진 가상의 물질로, 충분한 수의 쿼크가 모이면 안정적인 상태가 될 수 있다는 가설에 기반한다. 기묘체는 핵보다 안정적일 수 있지만, 에너지 장벽으로 인해 핵의 기묘체로의 붕괴는 매우 느리게 진행될 것으로 예상된다. 기묘체는 자연적 또는 인공적으로 생성될 수 있으며, 인공적 생성의 경우 중이온 충돌기와 같은 실험에서 가능하다. 기묘체의 존재는 위험성 논란을 야기하며, 특히 일반 물질을 기묘체로 변환시킬 수 있다는 가설이 제기되기도 했다. 기묘체 가설은 아직 증명되지 않았으며, 중성자별 연구를 통해 가설을 검증하려는 노력이 진행 중이다. 기묘체는 대중문화에서도 다양한 형태로 묘사되고 있다.

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기묘체
개요
종류	가설적인 입자
구성	업 쿼크 다운 쿼크 스트레인지 쿼크
안정성	가설에 따라 다름 (안정 또는 준안정)
전하	정수 전하
아이소스핀	0
발견	이론적으로 제안됨
관련 개념	쿼크 기묘 물질 쿼크-글루온 플라스마
상세 정보
설명	스트레인지 쿼크를 포함하는 가상의 복합 입자임.
제안자	에드워드 파히 로버트 야페
제안 시기	1984년
이론적 배경	충분히 높은 밀도에서는 업, 다운, 스트레인지 쿼크가 거의 같은 수로 존재할 수 있으며, 이러한 상태가 더 안정적일 수 있다는 가설에 기반함.
안정성 조건	충분한 양의 스트레인지 쿼크를 포함하고, 충분히 무거운 경우에 안정적일 수 있음. 작은 스트레인지릿은 불안정하여 일반적인 핵으로 붕괴할 것으로 예상됨.
존재 가능성	중성자별 내부 쿼크-글루온 플라스마 상태
검출 방법 (이론적)	지구를 통과할 때 특이한 지진파를 발생시키거나, 대기 중에서 특이한 입자 샤워를 일으킬 가능성이 있음.
위험성 논란	안정적인 스트레인지릿이 존재한다면, 다른 물질과 접촉 시 연쇄적으로 기묘 물질로 전환시켜 모든 물질을 '기묘화' 시킬 수 있다는 가설이 제기되었으나, 현재는 가능성이 낮은 것으로 여겨짐.

2. 이론적 존재성

아놀드 보드머^[77]^[3]^[40]와 위튼^[78]^[4]^[39]이 각각 제안한 "기묘체 가설"은 기묘체의 안정성과 존재 가능성을 뒷받침하는 핵심 이론이다. 이 가설에 따르면, 충분히 많은 수의 쿼크가 모이면 가장 낮은 에너지 상태는 위, 아래, 기묘 쿼크가 비슷한 수를 가지는 기묘체가 된다. 이러한 안정성은 파울리 배타 원리에 의해, 세 종류의 쿼크(위, 아래, 기묘 쿼크)를 가질 때 더 많은 쿼크를 낮은 에너지 수준에 배치할 수 있기 때문에 발생한다.

기묘 쿼크를 포함하는 입자는 약한 상호작용을 통해 더 가벼운 입자로 붕괴하지만, 쿼크 수가 더 많은 기묘체에서는 이러한 불안정성이 나타나지 않을 수 있다.^[76] 핵이 기묘체로 붕괴하는 과정은 에너지 장벽과 다중 쿼크 변환의 어려움 때문에 매우 느리게 진행된다.^[5]

기묘체의 안정성은 표면 장력과 전하 차폐 효과 때문에 크기에 영향을 받는다.^[79]^[7]^[41] 표면 장력이 낮으면 큰 기묘체는 불안정해져 작은 조각으로 분해될 수 있다.^[6]^[80]^[42]

2. 1. 기묘체 가설

아놀드 보드머^[77]^[3]^[40]와 위튼^[78]^[4]^[39]이 각각 제안한 "'''기묘체 가설'''"에 따르면, 충분히 많은 수의 쿼크가 함께 모이면, 가장 낮은 에너지 상태는 위, 아래, 기묘 쿼크가 대략 같은 수를 가지는 상태가 되며, 이를 기묘체(스트레인지렛)라고 부른다. 이러한 안정성은 파울리 배타 원리 때문에 발생한다. 즉, 일반적인 핵물질처럼 두 종류의 쿼크(위 쿼크, 아래 쿼크)만 있을 때보다 세 종류의 쿼크(위 쿼크, 아래 쿼크, 기묘 쿼크)를 가지면 더 많은 쿼크를 더 낮은 에너지 수준에 배치할 수 있기 때문이다.

기묘 쿼크를 포함하는 알려진 입자는 기묘 쿼크가 위 쿼크와 아래 쿼크보다 무겁기 때문에 불안정하다. 따라서 람다 입자와 같이 위 쿼크, 아래 쿼크, 기묘 쿼크를 포함하는 기묘 입자는 약한 상호작용에 의해 위 쿼크와 아래 쿼크만으로 구성된 더 가벼운 입자로 붕괴하는 과정에서 기묘도를 잃는다. 그러나 쿼크 수가 더 많은 상태에서는 이러한 불안정성이 나타나지 않을 수 있다.^[76]

2. 2. 핵과의 관계

기묘 물질 가설에 따르면, 기묘체는 핵보다 더 안정적이다. 따라서 핵은 기묘체로 붕괴해야 하지만, 이 과정은 매우 느리게 진행된다.^[5]

핵이 기묘체로 붕괴하는 과정이 느린 이유는 다음과 같다.

에너지 장벽: 핵이 기묘체로 붕괴하려면 큰 에너지 장벽을 넘어야 한다. 약한 상호작용을 통해 핵이 기묘체가 되려면, 처음에 몇 개의 쿼크가 기묘 쿼크로 변환되어 람다 입자와 같은 무거운 기묘 중입자를 만들어야 한다.
다중 쿼크 변환: 낮은 에너지 상태에 도달하려면 다수의 쿼크 변환이 거의 동시에 일어나야 한다. 즉, 기묘 쿼크의 수가 임계량을 초과해야 하는데, 이는 매우 드문 현상이다.

이러한 이유로, 기묘 물질 가설이 옳더라도 핵이 기묘체로 붕괴되는 데 걸리는 시간은 우주의 나이보다 길 수 있다.^[5]

2. 3. 크기와 안정성

기묘체의 안정성은 크기에 영향을 받는다. 이는 다음과 같은 이유 때문이다.

표면 장력: 쿼크와 진공 사이 경계면에서 작용한다. 작은 기묘체가 큰 기묘체보다 표면 장력에 더 큰 영향을 받는다.^[79] 기묘체의 표면 장력은 알려져 있지 않다. 표면 장력이 임계값(제곱 펨토미터당 몇 MeV)^[6]^[80]^[42]보다 작으면 큰 기묘체는 불안정해져 작은 기묘체 조각으로 조각난다. 기묘별처럼 강력한 중력이 작용하지 않는 이상 작은 기묘체 조각으로 조각날 것이다.^[80]
전하 차폐: 작은 기묘체는 전하를 띨 수 있지만, 큰 기묘체는 내부적으로 전기적 중성을 유지해야 한다. 전하 차폐 거리는 수 펨토미터 정도이므로, 기묘체 바깥쪽 수 펨토미터 정도만 전하를 띨 수 있다.^[7]^[41]

3. 기묘체 생성

기묘체는 자연적으로 생성되거나 인공적으로 생성될 수 있다.

자연적으로 스트레인지렛이 생성될 수 있는 방법은 최소 세 가지가 있다.

우주 기원적으로, 초기 우주에서 QCD 구속 상전이가 발생했을 때 스트레인지렛이 생성되었을 수 있다.
고에너지 과정에서 우주선 입자들이 서로 또는 중성자별과 충돌할 때 스트레인지렛이 생성될 수 있다.
초고에너지 우주선이 지구 대기에 충돌하여 스트레인지렛을 생성할 수 있다.

이러한 시나리오를 통해 스트레인지렛을 관찰할 가능성이 있다. 스트레인지렛이 고에너지 충돌에서 생성될 수 있다면, 중이온 충돌기로 생성될 수 있다. 또한, 우주를 떠돌아다니는 스트레인지렛이 지구에 충돌하여 이국적인 유형의 우주선으로 나타날 수 있다. 안정적인 스트레인지렛은 지구 물질에 통합되어 전하에 비례하는 전자 껍질을 얻어, 이상하게 무거운 동위원소로 나타날 수도 있다. 그러나 이러한 이상한 "동위원소"에 대한 탐색은 아직 성공하지 못했다.^[10]

3. 1. 자연적 생성

초기 우주에서 양자 색역학(QCD) 가둠 상전환 때 양성자나 중성자 등 일반적인 물질이 생성되는 과정에서 자연스럽게 기묘체도 생성되었을 가능성이 있다.^[81]

우주에는 매우 높은 에너지를 가진 우주선들이 존재한다. 이 우주선들이 서로 혹은 중성자별과 충돌할 때 에너지 장벽을 극복하고 핵에서부터 기묘체를 만들어낼 수 있다. 또한 프라이스 사건과 같이 매우 낮은 전하 대 질량 비율의 우주선의 경우에는 이미 기묘체가 있을 가능성도 있다.^[8]

초고에너지 우주선이 지구 대기권과 부딪치는 등 매우 높은 에너지의 우주선이 충돌할 시 기묘체가 생성될 수 있다.

3. 2. 인공적 생성

상대론적 중이온 충돌기(RHIC)와 같은 중이온 충돌기에서 원자핵이 상대론적 속도로 충돌할 때 기묘 쿼크 및 반기묘 쿼크를 만들어내며 이 과정에서 기묘체가 생성될 수 있다. 기묘체의 실험 흔적은 자기장 내에서 궤도는 거의 직선이지만 살짝 휘어져 있는 것으로 보이며 이는 질량이 매우 큼을 암시한다.^[82] RHIC의 STAR 감지기에서는 생성된 기묘체를 찾는 활동을 펼쳤으나 아무것도 발견되지 않았다.^[82] 대형 강입자 충돌기(LHC)에서는 기묘체를 만들기가 RHIC보다 더 힘들지만,^[83] LHC ALICE 실험 감지기에서는 기묘체 수색이 계속 이뤄지고 있다.^[84]

4. 기묘체 검출

기묘체는 직접 관측, 우주 관측, 지진학적 관측 등 다양한 방법으로 검출을 시도하고 있다.

직접 검출: 상대론적 중이온 충돌기(RHIC)나 대형 강입자 충돌기(LHC)와 같은 중이온 충돌기에서 기묘체 생성을 시도하고 있다.
우주 기반 검출: 국제 우주 정거장에 설치된 알파 자기 분광기(AMS)를 통해 기묘체를 관측할 가능성이 제기되었다.^[14]^[46]
지진학적 검출: 지진 현상을 통해 기묘체를 검출하려는 시도가 있었으나, 초기 연구는 장비 오류로 인해 철회되었다.^[16]^[48] 국제 감시 시스템(IMS)을 활용하여 지구를 통과하는 기묘체를 추적할 수 있다는 제안도 있다.
태양계 천체와의 충돌: 기묘체가 행성 등 태양계 천체와 충돌하여 특징적인 충돌구를 생성할 수 있다는 주장이 제기되었다.^[17]

4. 1. 직접 검출

상대론적 중이온 충돌기(RHIC)와 같은 중이온 충돌기에서 원자핵이 상대론적 속도로 충돌할 때 기묘 쿼크 및 반기묘 쿼크가 만들어지며, 이 과정에서 기묘체가 생성될 수 있다. 기묘체의 실험 흔적은 자기장 내에서 궤도는 거의 직선이지만 살짝 휘어져 있는 것으로 보이며, 이는 질량이 매우 큼을 암시한다. RHIC의 STAR 감지기에서는 생성된 기묘체를 찾는 활동을 펼쳤으나 아무것도 발견되지 않았다.^[82] 대형 강입자 충돌기(LHC)에서는 기묘체를 만들기가 RHIC보다 더 힘들지만,^[83] LHC ALICE 실험 감지기에서는 기묘체 수색이 계속 이뤄지고 있다.^[84]

4. 2. 우주 기반 검출

국제 우주 정거장에 설치된 알파 자기 분광기(AMS)를 통해 기묘체를 관측할 가능성이 있다.^[14]^[46]

4. 3. 지진학적 검출

2002년 5월, 사우스메소디스트 대학교 연구진은 1993년 10월 22일과 11월 24일에 기록된 지진 현상이 기묘체 때문일 수 있다는 가능성을 보고했다.^[15]^[47] 그러나 이후 연구진은 해당 기간 동안 지진 관측소 중 하나의 시계에 큰 오류가 있었음을 발견하고 해당 주장을 철회했다.^[16]^[48]

국제 감시 시스템(IMS)이 발효되면 포괄적 핵실험 금지 조약(CTBT) 검증을 위해 설치될 예정인데, 이 시스템이 지구 전체를 탐지기로 사용하여 일종의 "기묘체 관측소"로 유용할 수 있다는 제안이 있었다. IMS는 1ktonTNT 에너지 방출 또는 그 이하의 비정상적인 지진 교란을 감지하도록 설계되었으며, 적절히 활용될 경우 지구를 통과하는 기묘체를 실시간으로 추적할 수 있을 것이다.

4. 4. 태양계 천체와의 충돌

서브플래네타리 질량의 기묘체(무거운 운석)가 행성 등 태양계 천체를 관통하여 특징적인 충돌구를 생성할 수 있다는 주장이 제기되었다.^[17] 무거운 운석 정도 질량의 스트레인지렛이 태양계의 행성이나 다른 천체에 충돌할 때 특징적인 충돌 크레이터(혹은 관통 크레이터)를 남길 가능성이 있다.^[49]

5. 위험성

만일 기묘체 가설이 사실이고, 안정적인 음전하를 띤 기묘체가 존재한다면, 일반 물질과 접촉했을 때 기묘체로 변환시키는 연쇄 반응을 일으킬 수 있다는 "아이스-9" 시나리오가 제기되었다.^[77]^[6] 이 과정에서 에너지가 방출되어 더 크고 안정적인 기묘체가 만들어지고, 연쇄 반응이 일어나 지구 전체가 기묘체 덩어리로 변할 수 있다는 극단적인 가설도 있다.

하지만 우주선에 포함된 기묘체는 지구에서 멀리 떨어진 곳에서 생성되며, 대부분 양전하를 띠는 바닥 상태로 붕괴하기 때문에 지구의 핵과 융합될 가능성은 거의 없다.^[18]^[19]^[52]^[53] 반면, 고에너지 충돌에서는 음전하를 띤 기묘체가 생성될 수 있으며, 이는 일반 물질의 핵과 상호 작용할 수 있을 만큼 충분히 오래 지속될 수 있다.^[20]^[54]

5. 1. 중이온 충돌 실험

고에너지 핵물리학의 중이온 충돌기에서 생성된 스트레인지렛에 의한 촉매 변환 위험은 언론의 주목을 받았다.^[21]^[22] 브룩헤븐 국립 연구소의 RHIC 실험 시작 시 스트레인지렛 생성 가능성에 대한 우려가 제기되었으나,^[23]^[24] 상세한 분석 결과,^[25] RHIC 충돌은 태양계를 통과하는 우주선에서 자연적으로 발생하는 충돌과 유사하며, 만약 위험하다면 이미 그러한 재앙이 발생했을 것이라는 결론이 내려졌다. RHIC는 2000년부터 사고 없이 운영되고 있다. CERN의 LHC 운영에 대해서도 비슷한 우려가 제기되었지만,^[26] 과학자들은 이러한 우려를 터무니없는 것으로 일축했다.^[6]^[27]^[28]

5. 2. 중성자별

중성자별은 일종의 거대한 핵(지름 20km)으로, 중력에 의해 형태를 유지하지만 전기적으로 중성이기 때문에 스트레인지렛(기묘체)을 정전기적으로 반발하지 않는다. 따라서 기묘체 변환 시나리오가 더 현실적이다. 스트레인지렛이 중성자별에 부딪히면, 그 표면 근처의 쿼크를 촉매하여 더 많은 기묘 물질을 형성하게 할 수 있으며, 이는 잠재적으로 전체 별이 기묘별(쿼크별)이 될 때까지 계속될 수 있다.^[29]^[64]

6. 기묘체 가설 논쟁

기묘체 가설은 아직 증명되지 않았으며, 이에 대한 논쟁이 계속되고 있다. 이 가설에 따르면, 만약 기묘 물질 가설이 사실이라면 모든 중성자별은 기묘 물질로 이루어져 있어야 한다. 그렇지 않다면 기묘 물질로 만들어진 별은 하나도 없어야 한다.^[65] 그러나 충돌 등으로 인해 기묘 핵자가 우주로 흩어지면, 단 하나의 기묘 핵자와의 충돌로도 중성자별이 기묘 물질로 바뀔 수 있기 때문에, 현재는 대부분의 중성자별이 기묘별로 바뀌어 있어야 한다는 주장도 있다.^[31]^[32]^[33]^[34]

6. 1. 가설 검증

기묘 물질 가설은 아직 증명되지 않았다. 우주선이나 입자 가속기에서 기묘 핵자를 직접 탐색한 결과, 기묘 핵자는 아직 확인되지 않았다. 만약 중성자별과 같은 천체의 표면이 기묘 물질로 이루어져 있다는 것이 밝혀진다면, 이는 기묘 물질이 압력 0에서 안정하다는 것을 나타내며, 이는 기묘 물질 가설을 입증하는 것이 된다. 그러나 중성자별 표면에 기묘 물질이 있다는 강력한 증거는 없다.^[30]

이 가설에 대한 또 다른 반론은, 만약 기묘 물질 가설이 사실이라면 본질적으로 모든 중성자별이 기묘 물질로 만들어져야 하고, 그렇지 않다면 아무것도 없어야 한다는 것이다. 비록 처음에 기묘별이 소수만 존재했더라도, 충돌과 같은 격렬한 사건은 곧 우주에 기묘 물질의 많은 파편을 만들어낼 것이다. 단 하나의 기묘 핵자와의 충돌도 중성자별을 기묘 물질로 변환시키기 때문에, 가장 최근에 형성된 몇몇 중성자별을 제외하고는 이미 모두 기묘 물질로 변환되었어야 한다.

이 주장은 여전히 논쟁 중이며,^[31]^[32]^[33]^[34] 만약 이 주장이 옳다면, 오래된 중성자별이 기존의 핵물질 껍질을 가지고 있다는 것을 보여주는 것은 기묘 물질 가설을 반증하는 것이 된다.

기묘 물질 가설에 대한 중요성 때문에, 중성자별의 표면이 기묘 물질로 만들어졌는지, 아니면 핵물질로 만들어졌는지 결정하기 위한 노력이 진행 중이다. 현재 증거는 핵물질을 지지한다. 이는 X선 폭발의 현상에서 비롯되며, 이는 핵물질 껍질의 관점에서 잘 설명되고 있으며,^[35] 마그네타에서 측정된 지진 진동에서도 나타난다.^[36]

6. 2. 중성자별 연구

중성자별의 표면이 기묘 물질로 만들어졌는지, 아니면 핵물질로 만들어졌는지를 밝히기 위한 연구가 진행 중이다. 현재까지 X선 폭발 현상은 핵물질 껍질의 관점에서 잘 설명되며,^[35]^[70] 마그네타에서 측정된 지진 진동 또한 핵물질을 지지하는 증거로 제시된다.^[36]^[71]

7. 대중 문화에서의 기묘체

기묘체는 과학 소설, 영화 등 다양한 대중 매체에서 흥미로운 소재로 다루어진다. 오디세이 5^[37]^[72], BBC의 다큐드라마 엔드 데이(세계 침몰)^[37], 퀀텀 아포칼립스^[37] 등에서는 기묘체가 지구 종말을 초래하는 위험한 물질로 묘사되기도 한다.

로버트 L. 포워드의 단편집 마법과 구별할 수 없는에 수록된 단편 소설 ''가장 이상한 문제'', 더글라스 프레스턴의 소설 임팩트, 스티브 알텐의 소설 포보스, 도널드 E. 웨스트레이크의 블랙 코미디 소설 ''인간'', 한누 라이니에미의 소설 양자 도둑과 그 후속작^[37] 등에서도 기묘체가 등장한다.

이 외에도 ''The Arwen'', 만화 ''The Hypernaturals'' 에서도 기묘체가 등장한다.^[37]

참조

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