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앞에서 포스트했던 2008년 NSAC의 핵과학 장기 연구 계획서의 다음 부분인 최근 6년간 이루어진 연구중 NSAC가 중요한 연구라고 평가한 8개의 연구 요약입니다. 먼저 4개의 연구를 소개합니다.
준완전 액체 (Near-Perfect Liquid)최근에 이루어진 가장 놀라운 발견중의 하나가 상대론적 중이온 충돌기 (RHIC, Relativistic Heavy Ion Collider)에서 금(gold)의 원자핵을 가속시켜 충돌시킬때 먼들어지는 뜨거운 물질이 거의 완벽한 완전 액체(perfect liquid)처럼 팽창다는 것이다. 액체의 흐름을 방해하는 저항을 나타내는 양은 점도와 엔트로피 밀도의 비율 () 인데, 상대론적 중이온 충돌시 측정된 이 양은 지금까지 알려진 어느 액체보다도 더 작다는 것이 발견됐다. 사실 이 값은 아주 작아서 최근 끈이론의 방법을 응용해서 얻어지는 최소값의 한계에 가깝고 따라서 이는 RHIC에서 만들어진 쿼크-글루온 플라즈마가 애초 예상했던 묽은 가스와 같은 플라즈마가 아니라 강하게 엮여있는 플라즈마라는 것을 암시한다. 이 발견은 미시적이고 집단적인 성질이 양자현상에 기인하는 극고온/고밀도 플라즈마 연구라는 물리학의 새로운 분야를 열었다. 향후 10년간 수행될 가장 중요한 과학적 연구의 하나는 이 새로운 물질의 상태를 정량적으로 설명하는 것이다.
<이미지 출처: http://www.bnl.gov>
핵자의 스핀 (Spin of the Nucleon)핵자, 즉 양성자와 중성자는 강한 상호작용에 의해 구속된 쿼크와 글루온으로 된 복잡하고 동적인 입자다. 지금까지 발견된 핵자의 구조는 QCD에 관해 많은 것을 알게 해준다. 실험과 이론을 병행함으로써, 예를 들면, 쿼크가 핵자 안에서 메존 비슷한 클러스터를 만드는지 그리고 다른 종류(flavor)의 쿼크가 갖는 공간분포와 운동량분포가 어떻게 다른지 등을 알 수 있게 한다. 그 중 가장 흥미있는 문제중 하나는 핵자의 고유 각운동량인 스핀이다. 핵자의 스핀은 1/2이고 우리가 QCD를 이해했다고 한다면 이 값이 핵자의 내부 구조에서 어떻개 얻어지는지 설명할 수 있어야 한다. 제퍼슨 연구소 (JLab)와 독일 DESY의 최근 실험은 uud로 만들어진 양성자에서 u 쿼크의 스핀은 양성자의 스핀과 같은 방향으로 정렬이 되고 d 쿼크는 반대 방향으로 편극되있고, s 쿼크는 거의 편극이 되지 않음을 보인다. 이를 다 종합하면 쿼크의 스핀은 양성자 스핀의 약 30%만을 차지한다. 최근 기대되었던 RHIC의 실험은 핵자의 스핀에 대한 글루온의 역할을 더 자세히 알게 하지만 핵자의 스핀이 어떻게 나뉘는지는 아직 풀리지 않은 문제로 남아있다. 이에 대한 해답은 RHIC과 JLab의 CEBAF (12 GeV로 업그레이드된 후)에서 행해질 실헙에서 얻을 수 있을지 모른다. 그러나 현재의 기술로는 핵내의 쿼크와 글루온이 존재할 수 있는 모든 영역을 커버하지 못한다. "대자연"이 핵자의 스핀을 현 실험장치로는 접근할 수 없는 영역에 숨겨 놓았다면 핵자의 스핀을 이해하기 위해서는 새로운 방법과 기술이 요구된다.
<이미지 출처: http://www.jlab.org>
제트 퀜칭 (Jet Quenching)QCD 제트는 모든 종류의 초고에너지 충돌에서 일어나는데 입사하는 쿼크와 글루온의 강한 산란 (hard scattering)과 그것들로부터 생기는 입자의 분사로 발생한다. 제트는 RHIC의 양성자-양성자 (proton-proton) 충돌, 중수소-금원자핵 (deuteron-gold) 충돌, 금원자핵-금원자핵 (gold-gold) 충돌에서 관측되었다. 이 중 드라마틱한 변화가 금원자핵-금원자핵 충돌에서 생기는 제트의 분포에서 생긴다. 양성자-양성자 충돌이나 중수소-금원자핵 충돌에서는 백투백 (back-to-back)의 제트가 전형적으로 관측된다.즉 두 개의 제트가 반대방향으로 진행한다. 하지만 거의 정면 충돌시 금원자핵-금원자핵 충돌에서는 이 패턴이 사라지고 하나의 제트만 관측된다. 이것이 제트 퀜칭이다. 이는 2차 제트를 만드는 산란된 쿼크와 글루온이 충돌 후 생성되는 (보통의 핵자보다 밀도가 100배가 되는) 물질을 통과하면서 많은 에너지를 잃어 버린다는 것(energy loss)을 암시한다. 최근의 결과는 이런 고에너지 제트의 잃어버린 에너지가 집단적인 충격파(sonic boom)로 나타날 수 있다는 것을 제시한다. 이 제안이 옳다면 이 새로운 물질에서 소리의 속도 (speed of sound)를 결정할 수 있다. 제트 퀜칭의 효과는 이 격렬한 충돌에서 생기는 쿼크-글루온 플라즈마에서 글루온 밀도를 연구하는 새로운 방법을 열게 된다.
<이미지 출처: http://www.lbl.gov>
중성자의 전하 분포
중성자는 이름 그대로 전기적으로 중성이며 전하를 갖는 양성자의 짝이다. 하지만 중성자는 양성자와 비슷한 자기적 (magnetic) 성질을 갖고있으며 이는 그것의 내부 구조가 아주 복잡하다는 것을 나타낸다. JLAB과 MIT의 Bates 연구소를 비롯한 세계 각지에서 10여년 계속된 편극된 빔과 타겟을 이용한 실험 결과 중성자의 전하 분포가 훨씬 자세하게 알려졌다. 중성자의 중심부는 양의전하를 갖고 있다. 중성자의 중심부를 둘러싸는 메존 구름은 음전하를 띠고 있어 전체적으로 중성이된다. 이 새 결과는 중성자의 전자기적 성질을 규명하려는 이론, 특히 lattice QCD에 매우 강한 강제 조건을 제시한다.
<이미지 출처: http://www.jlab.org>
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