Eötvös Lorand University의 연구원들은 고급 입자 가속기를 사용하여 초기 우주의 쿼크 물질이 일반 물질로 변환되는 과정을 탐구하고 있습니다. 그들의 혁신적인 기술과 결과는 기초 물리학과 강력한 상호 작용에 대한 이해에 크게 기여합니다. 신용: SciTechDaily.com

그들의 노력은 우주가 창조된 후 100만분의 1초 안에 우주를 가득 채운 '원시 수프'를 매핑하는 데 집중되었습니다.

Eötvös Loránd University의 물리학자들은 세계에서 가장 진보된 세 가지 입자 가속기를 사용하여 원자핵의 구성 요소를 연구했습니다. 그들의 연구 목표는 우주 생성 후 첫 마이크로초 동안 우주에 존재했던 '원시 수프'를 탐구하는 것입니다. 흥미롭게도 그들의 연구 결과는 관찰된 입자 움직임이 해양 포식자의 먹이 탐색, 기후 변화 패턴 및 주식 시장 변동과 유사하다는 것을 시사합니다.

사고 직후 대폭발온도가 너무 극심해서 원자핵도, 그 구성 요소인 핵자도 존재할 수 없었습니다. 따라서 이 첫 번째 경우에 우주는 쿼크와 ​​글루온의 “원시 수프”로 가득 차 있었습니다.

우주가 냉각됨에 따라 이 매체는 “동결” 과정을 거쳐 오늘날 우리가 알고 있는 양성자 및 중성자와 같은 입자가 형성되었습니다. 이 현상은 두 핵 사이의 충돌로 인해 작은 쿼크 물질 방울이 생성되는 입자 가속기 실험에서 훨씬 더 작은 규모로 복제됩니다. 이러한 물방울은 결국 동결을 통해 일반 물질로 전환되는데, 이는 이러한 실험을 수행하는 연구자에게 알려진 변형입니다.

쿼크 물질의 차이점

그러나 쿼크 물질의 특성은 입자 가속기의 충돌 에너지로 인해 발생하는 압력과 온도의 차이로 인해 달라집니다. 이러한 차이를 확인하려면 미국의 상대론적 중이온 충돌기(RHIC), 스위스의 슈퍼프로톤 충돌기(SPS) 및 대형 강입자 충돌기(LHC)와 같은 다양한 에너지의 입자 가속기에서 물질을 “스캔”하기 위한 측정이 필요합니다.

“이 측면은 매우 중요하므로 특히 이러한 실험을 위해 독일이나 일본 등 전 세계에서 새로운 가속기가 만들어지고 있습니다. “아마도 가장 중요한 질문은 단계 간 전환이 어떻게 발생하는지입니다. 임계점이 나타날 수 있습니다. 위상 지도.”라고 Eötvös Lorand University(ELTE) 원자물리학과 물리학 교수인 Mati Chanad가 설명합니다.

브룩헤이븐 국립연구소(Brookhaven National Laboratory)와 CERN에서 실제 충격 사건을 재구성한 트랙과 관련 탐지기 사진의 몽타주입니다. 출처: Máté Csanád/Eötvös Loránd University 제작 몽타주 몽타주 원본 이미지: STAR és PHENIX: Brookhaven National Laboratory 및 CMS és NA61: CERN

연구의 장기 목표는 쿼크 물질과 원자핵의 상호 작용을 지배하는 강력한 상호 작용에 대한 이해를 심화시키는 것입니다. 이 분야에 대한 우리의 현재 지식 수준은 볼타(Volta), 맥스웰(Maxwell) 또는 패러데이(Faraday) 시대의 전기에 대한 인류의 이해에 비유될 수 있습니다. 그들은 기본 방정식에 대한 아이디어를 갖고 있었지만 전구에서 텔레비전, 전화, 컴퓨터 및 인터넷에 이르기까지 일상 생활을 근본적으로 변화시키는 기술을 개발하려면 많은 실험적, 이론적 작업이 필요했습니다. 마찬가지로, 강한 상호작용에 대한 우리의 이해는 아직 초기 단계에 있으므로 이를 탐구하고 매핑하는 연구가 중요합니다.

Femoscopy의 혁신

ELTE 연구자들은 위에 언급된 각 가속기에 대한 실험에 참여해 왔으며 지난 몇 년간의 연구를 통해 쿼크 물질의 기하학적 구조에 대한 포괄적인 그림을 그려냈습니다. 그들은 펨토스코픽 기술을 적용하여 이를 달성했습니다. 이 기술은 생성된 입자의 비고전적, 양자 유사 파동 특성에서 발생하는 상관 관계를 사용하여 궁극적으로 입자 방출의 원인인 매체의 펨토미터 구조를 드러냅니다.

Eötvös University의 연구원들은 Brookhaven National Laboratory에서 STAR 실험을 위한 데이터를 수집하기 위해 노력하고 있습니다. 크레딧: Máté Csanád / Eötvös Loránd University

“지난 수십 년 동안 쿼크 물질이 정규 분포, 즉 자연의 여러 곳에서 발견되는 가우스 형태를 따른다는 가정하에 펨토카피가 수행되었습니다.”라고 그룹의 수석 연구원 중 한 명인 Marton Nagy가 설명합니다.

그러나 헝가리 연구자들은 해양 포식자, 주식 시장 과정, 심지어 기후 변화에 의한 먹이 탐색에 대한 좋은 설명인 보다 일반적인 프레임워크로서 다양한 과학 분야에서도 친숙한 레비의 과정을 선택했습니다. 이러한 프로세스의 독특한 특징은 특정 순간에 매우 큰 변화(예: 상어가 새로운 지역에서 먹이를 검색할 때)를 겪고 이러한 경우 정규(가우스) 분포 대신 Livre 분포가 발생할 수 있다는 것입니다.

ELTE의 시사점과 역할

이 연구는 여러 가지 이유로 매우 중요합니다. 첫째, 쿼크 물질이 강입자 물질로 동결되는 과정에서 가장 많이 연구된 특징 중 하나는 펨토스코픽 반경(잘 알려진 Hanbury-Brown 및 Twyss 효과와 관련하여 HBT 반경이라고도 함)입니다. 천문학에서는 펨토스코픽 측정에서 파생됩니다. 그러나 이 측정은 매체의 가정된 기하학적 구조에 따라 달라집니다. 그룹의 박사후 연구원인 Daniel Kinsis는 “가우스 가정이 최적이 아닌 경우 이러한 연구에서 가장 정확한 결과는 Lévy 가정 하에서만 얻을 수 있습니다. Lévy 분포를 특징짓는 Lévy 지수 값은 그들은 또한 상전이의 본질을 밝히고 충돌 에너지에 따른 변화를 통해 쿼크 물질의 다양한 단계에 대한 통찰력을 제공합니다.

ELTE 연구진은 SPS 가속기의 NA61/SHINE, RHIC의 PHENIX 및 STAR, LHC의 CMS 등 4가지 실험에 적극적으로 참여하고 있습니다. ELTE의 NA61/SHINE 그룹은 나가이 요시카즈(Yoshikazu Nagai)가 이끌고, CMS 그룹은 가브리엘라 파스토르(Gabriela Pastor)가 이끌고 있습니다. ELTE에서 펨토스코픽 연구를 조정하는 Máté Csanád가 설립한 RHIC 그룹도 있습니다.

이들 그룹은 시약 개발부터 데이터 수집 및 분석에 이르기까지 다양한 역량에서 실험의 성공에 크게 기여합니다. 그들은 또한 많은 이론 프로젝트와 연구에도 참여합니다. Matej Chanad는 “우리 펨토스코피 연구의 독특한 점은 3개의 입자 가속기에서 4번의 실험을 통해 수행된다는 것입니다. 이를 통해 우리는 쿼크 물질의 기하학적 구조와 가능한 단계에 대한 폭넓은 시각을 얻을 수 있습니다.”라고 말했습니다.

참조: Marton Nagy, Aleta Borza, Matej Csanad 및 Daniel Kinsis의 “쿨롱 최종 상태 상호 작용을 통한 보스-아인슈타인 상관 함수 계산을 위한 새로운 방법”, 2023년 11월 8일, 유럽 ​​물리 저널 C.
도이: 10.1140/epjc/s10052-023-12161-y