초기 우주 물질의 기원에 대한 놀라운 통찰력

두 개의 무거운 원자의 충돌로 인해 발생하는 입자의 분사를 그린 예술가의 그림. 뜨거운 아원자 수프가 냉각되면서 새로 형성된 입자가 우주로 떨어집니다. 저작권: Joseph Domenicus Lapp, 편집자

과학자들은 입자 가속기에서 초기 우주의 극한 조건을 재현하여 물질 형성에 대한 놀라운 통찰력을 드러냈습니다.

새로운 계산에 따르면 일부 입자의 최대 70%는 반응 직후 형성된 초기 쿼크-글루온 수프가 아닌 후속 반응에서 유래할 수 있습니다. 빅뱅이번 발견은 물질 형성의 타임라인에 대한 이전 가정에 도전하고 우리 주변의 많은 물질이 예상보다 늦게 형성되었음을 시사합니다. 이러한 과정을 이해함으로써 과학자들은 충돌 실험 결과를 더 잘 해석하고 우주의 기원에 대한 지식을 향상시킬 수 있습니다.

초기 우주에 만연한 가혹한 조건을 재현

초기 우주의 온도는 태양 중심부보다 25만 배 더 뜨거웠습니다. 이것은 일상적인 물질을 구성하는 양성자와 중성자가 형성되기에는 너무 뜨겁습니다. 과학자들은 입자 가속기에서 빛의 속도에 가까운 속도로 원자를 충돌시켜 초기 우주의 조건을 재현하고 있습니다. 생성된 입자의 양을 측정하면 과학자는 물질이 어떻게 형성되는지 이해할 수 있습니다.

과학자들이 측정하는 입자는 원래의 쿼크와 글루온 수프 또는 이후의 상호 작용 등 다양한 방식으로 형성될 수 있습니다. 이러한 후속 상호 작용은 쿼크로 구성된 복합 입자가 서로 상호 작용하기 시작한 빅뱅 이후 0.000001초 후에 시작되었습니다. 새로운 계산에 따르면 측정된 일부 입자의 최대 70%는 초기 우주에서 발생한 것과 유사한 상호 작용이 아닌 후기 상호 작용에서 비롯된 것으로 나타났습니다.

물질의 기원 이해

이 발견은 물질의 기원에 대한 과학적 이해를 향상시킵니다. 이는 우주가 팽창하면서 이후의 상호 작용으로 형성된 물질의 양과 비교하여 빅뱅 이후 처음 몇 분의 1초 동안 우리 주변의 물질이 얼마나 많이 형성되었는지를 결정하는 데 도움이 됩니다. 이 결과는 우리 주변의 많은 물질이 예상보다 늦게 형성되었음을 나타냅니다.

충돌 실험의 결과를 이해하려면 과학자들은 후속 상호 작용에서 형성된 입자를 배제해야 합니다. 아원자 수프에서 형성된 것들만이 우주의 초기 상태를 드러냅니다. 이 새로운 계산은 반응에서 형성된 입자의 측정된 수가 예상보다 훨씬 높다는 것을 보여줍니다.

입자 형성에서 후속 반응의 중요성

1990년대에 물리학자들은 우주의 초기 형성 이후 후속 상호작용을 통해 일부 입자가 대량으로 형성된다는 사실을 깨달았습니다. D 중간자라고 불리는 입자는 상호작용하여 희귀한 입자인 카르모늄을 형성할 수 있습니다. 과학자들은 이 효과가 얼마나 중요한지에 대해 동의하지 않습니다. 카르모늄은 희귀하기 때문에 측정이 어렵습니다.

그러나 최근 실험에서는 카르모늄과 D 중간자에 의해 생성된 충돌 횟수에 대한 데이터를 제공합니다. 예일대학교 듀크 대학교는 이 효과의 강도를 계산하기 위해 새로운 데이터를 사용했습니다. 그 중요성은 예상보다 훨씬 컸습니다. 측정된 카르모늄의 70% 이상이 반응을 통해 형성될 수 있습니다.

물질의 기원을 이해하기 위한 시사점

아원자 입자로 이루어진 뜨거운 수프가 식으면서 불 덩어리로 팽창합니다. 그리고 이 모든 일은 빛이 교차하는 데 걸리는 시간의 100분의 1도 안 되는 시간에 일어납니다. 옥수수너무 빠르기 때문에 과학자들은 불덩어리가 어떻게 팽창했는지 완전히 확신할 수 없습니다.

새로운 계산은 과학자들이 이 확장의 세부 사항을 반드시 알 필요가 없다는 것을 보여줍니다. 그러나 충돌로 인해 다량의 카르모늄이 생성됩니다. 새로운 결과는 과학자들이 물질의 기원을 이해하는 데 한 걸음 더 가까워지도록 해준다.

참조: Josef Dominicus Lapp 및 Bernt Müller의 “Pb+Pb 충돌에서의 J/ψ 강입자 재생”, 2023년 10월 11일, 문자 b의 물리학.
도이: 10.1016/j.physletb.2023.138246

이 연구는 에너지부 산하 과학국 핵물리학 프로그램의 지원을 받았습니다. 연구원 중 한 명은 예일 대학교에 머무는 동안 제공한 환대와 재정적 지원에 대해서도 감사를 표했습니다.