빅뱅 직후 온도 3.3조℃…단계별 온도 첫 측정

하이커뮤니티매니져 0 10 13:53

집 크기만 한 이 검출기는 상대론적 중이온 충돌기(RHIC)에서 이온 충돌 시 생성되는 수천 개의 입자 궤적을 추적한다. Kevin Coughlin, 브룩헤이븐국립연구소 제공

빅뱅 직후 우주는 얼마나 뜨거웠을까.

미국 브룩헤이븐국립연구소(BNL)가 이 질문에 답을 제시할 수 있는 실험 결과를 내놨다. BNL의 상대론적 중이온 충돌기(RHIC)에서 금 원자핵을 거의 빛의 속도로 충돌시켜 초기 우주와 비슷한 환경을 만들고 온도를 직접 측정한 결과다. 이번 실험에서 확인된 최고 온도는 약 3.3조℃로 태양 중심부보다 22만 배나 더 뜨거웠다. 연구결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 14일(현지시각) 실렸다.

실험에서 만들어지는 ‘쿼크-글루온 플라스마(QGP)’는 빅뱅 직후 잠시 존재했던 상태를 일컫는다. 쿼크는 양성자와 중성자를 이루는 가장 작은 구성 입자이며 글루온은 쿼크들을 서로 붙여주는 힘을 전달하는 입자다. QGP에서는 쿼크와 글루온이 결합을 풀고 자유롭게 움직인다. RHIC는 금 원자핵을 정면으로 충돌시켜 QGP와 같은 극한 상태를 아주 짧은 순간 동안 만들어 낸다.

연구팀은 QGP가 얼마나 뜨거웠는지 알아내기 위해 충돌 과정에서 매우 드물게 만들어지는 전자와 양전자 쌍을 추적했다. 전자와 양전자 쌍은 발생 확률이 1만 번 중 한 번에 불과하다. 온도를 직접 반영하는 정확한 온도계 역할을 한다.

이번 연구는 QGP의 온도를 두 단계에서 따로 측정했다는 점에서 의미가 크다. 충돌 직후 가장 뜨거운 순간에는 온도가 3.3조℃에 도달했고 시간이 조금 지나 QGP가 식기 시작할 때의 온도는 그 절반 정도였다.

연구팀은 “후반부 온도가 충돌 조건과 상관없이 항상 같은 값을 보였다”며 “이 지점이 쿼크와 글루온이 결합해 양성자와 중성자가 만들어지기 시작하는 상전이 온도와 일치한다”고 설명했다.

핵물질의 상변화 지도는 온도·압력에 따른 물의 상태도와 유사하다. 다만 핵물질에서는 압력 대신 물질 밀도를 나타내는 알짜 중입자 밀도가 변수가 된다. 상대론적 중이온 충돌기는 입자 충돌을 통해 양성자와 중성자를 '녹여' 쿼크-글루온 플라즈마(QGP)를 만들어낸다. 브룩헤이븐국립연구소 제공

연구팀은 충돌 에너지 27기가전자볼트(GeV, 10억 전자볼트)와 54.5GeV의 데이터를 이용해 분석했다. GeV는 입자물리학에서 사용하는 에너지 단위로 충돌기에서 입자 빔이 충돌할 때의 에너지 크기를 나타낸다.

연구에 참여한 자오천 예 중국 화남사범대 교수는 “QGP는 지구에서 만들 수 있는 물질 중 가장 뜨겁다”며 “전자와 양전자를 이용해 온도를 직접 측정한 것은 RHIC에서는 처음”이라고 말했다.

연구팀은 RHIC의 마지막 실험에서 축적 중인 200 GeV 데이터에 대해서도 같은 방식의 분석을 이어갈 계획이다. 연구팀은 더 높은 에너지의 데이터를 활용하면 빅뱅 후 처음 몇 백만분의 1초 이내 극초기 우주 상태를 더욱 정확하게 재현할 수 있을 것으로 전망했다.

25년간 운영된 RHIC은 몇 달 내 마지막 실험을 마치고 폐쇄된다. 이 자리에는 2030년대 초 전자-이온 충돌기(EIC)가 들어설 예정이다. 하지만 RHIC가 모은 방대한 데이터는 앞으로도 초기 우주의 성질을 밝히는 데 중요한 자료가 될 전망이다.

https://m.dongascience.com/news.php?idx=75109

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