.Spin Secrets Exposed: Scientists Unravel a Decades-Old Proton Mystery
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.Spin Secrets Exposed: Scientists Unravel a Decades-Old Proton Mystery
스핀 비밀 폭로: 과학자들이 수십 년 된 양성자 미스터리를 풀다
토마스 제퍼슨 국립 가속기 시설2025년 4월 29일 양성자의 글루온 편극 회전하는 쿼크와 글루온(우선 나선 및 좌선 나선으로 표현됨)을 포함하는 편극된 양성자. 격자 QCD와 제퍼슨 랩 데이터를 추가한 후, 음의 Δg 용액(파란색)이 양의 Δg 용액(빨간색)보다 불리하게 나타납니다. 출처: 미국 에너지부 제퍼슨 랩
격자 QCD의 프레임워크를 사용하여 이전 가정에 의존하지 않고 관측 데이터를 재검토하는 새로운 접근 방식은 양의 글루온 스핀 ∆g에 대한 강력한 증거를 제공합니다. 수십 년 동안 연구자들은 아원자 세계의 복잡한 구조를 밝히기 위해 노력해 왔습니다. 그중에서도 특히 어려운 문제 중 하나는 양성자의 고유 각운동량, 즉 스핀의 기원에 대한 연구였습니다. 핵물리학자들은 일반적으로 양성자의 스핀이 내부 구성 요소인 쿼크에서 비롯된다고 믿습니다.
쿼크는 강한 핵력을 매개하는 글루온에 의해 결합되어 있습니다. 그러나 쿼크와 글루온이 양성자의 전체 스핀에 정확히 어떤 영향을 미치는지는 아직 밝혀지지 않았습니다. 이제 국제 물리학자 팀이 중요한 진전을 이루었습니다. 격자 양자색역학(QCD)을 이용한 실험적 관찰과 고급 시뮬레이션을 바탕으로, 양성자 스핀 생성에 있어 글루온의 역할을 명확히 하는 강력한 증거를 수집했습니다. 제퍼슨 랩 각운동량(JAM) 협력 연구진은 최근 Physical Review Letters 저널에 연구 결과를 담은 새로운 논문을 게재했습니다 .
이 협력 연구에는 양자역학(QCD)을 통해 아원자 입자의 내부 구조를 연구하는 이론가, 실험가, 그리고 컴퓨터 과학자들이 참여합니다. 양자역학은 쿼크와 글루온이 강력을 통해 어떻게 상호작용하는지 설명하는 이론입니다. 저자는 JAM 협업의 Spin PDF 분석 그룹 회원으로, 미국 에너지부 산하 토머스 제퍼슨 국립 가속기 시설의 월리 멜니추크와 노부오 사토, 호주 애들레이드 대학 물리학과 산하 물질의 아원자 구조 센터(CSSM)와 암흑 물질 입자 물리학 ARC 우수 센터의 니콜라스 헌트-스미스, 앤서니 토마스, 마틴 화이트, 윌리엄 앤 메리 대학 물리학과의 크리스토퍼 코쿠자입니다.
토마스는 제퍼슨 연구실과 애들레이드 대학 간의 유익한 관계가 수십 년 전부터 이어져 왔으며, 물리학자들은 14.5시간의 시차에도 불구하고 함께 연구하고 있다고 언급했습니다. 토마스는 "수년 전, 월리는 네이선 이스거가 수석 과학자로 재직했을 때 애들레이드와 제퍼슨 연구소에서 공동 연구직을 맡았습니다."라고 말했습니다. "저는 2004년부터 2009년까지 6년 동안 제퍼슨 연구소에서 수석 과학자로 일했습니다.
물리학과의 협력은 계속되어 왔습니다." 이 그룹의 최근 연구는 양성자 스핀의 기원에 대한 이해를 진전시키기 위해 먼저 해결해야 할 까다로운 질문을 다룹니다. 바로 ∆g의 부호는 무엇일까요? 다시 말해, 글루온의 스핀은 음수인가요, 양수인가요? 양성자의 고유 스핀 물리학자들이 양성자나 다른 입자의 "스핀"에 대해 논할 때, 그들은 그 입자의 고유한 각운동량을 지칭합니다. 물리학자들이 생각하는 아원자 스핀 개념은 양자역학적 개념이기 때문에, 우리 눈에 보이는 세계에서의 설명은 한계가 있습니다.
스핀은 정지 상태에서도 이 각운동량을 지닙니다. 스핀은 음수 또는 양수일 수 있습니다. 시계 방향과 시계 반대 방향으로 생각해 보세요. "스핀은 양자 세계의 독특한 특성입니다." 사토가 설명했다. "양성자의 스핀은 1/2입니다. 51점도 아니고 501점도 아닙니다. 50001점도 아닙니다. 5점입니다. 그리고 그 숫자는 양성자 내부의 구성 요소들로 이루어져 있는데, 각 구성 요소들은 고유한 스핀을 가지고 있습니다." 멜니추크는 양성자 스핀의 값은 1920년대부터 알려져 왔다고 말했습니다.
그는 양성자 스핀은 양성자를 구성하는 구성 요소들의 스핀의 총합에서 나온다는 것이 타당하다고 덧붙였습니다. "우리가 모르는 것은 양성자 스핀의 어느 부분이 양성자 내부의 세 원자가 쿼크에 의해 운반되는지, 그리고 어느 부분이 글루온에 의해 운반되는지입니다."라고 그는 말했다. "어쩌면 양성자 내부의 쿼크와 글루온의 회전, 즉 궤도 각운동량에 의해 운반되는 부분은 어느 정도일까요?" ∆g의 부호를 정확히 알아내는 것은 양성자가 어떻게 회전하는지 알아내는 데 필수적이며, 수년간의 관찰 작업과 이론을 통해서도 결정적인 답을 얻지 못했습니다. 대부분의 물리학자들은 양의 ∆g가 더 가능성이 높아 보인다고 생각했지만, 헌트-스미스는 "이러한 음의 ∆g 해법은 항상 존재해 왔습니다."라고 말했습니다.
"순전히 물리학적 관점에서만 보면 음의 ∆g를 가질 수 없는 이유는 없습니다." 세계 최초의 데이터를 활용한 새로운 분석 JAM 연구진은 기존 분석 작업뿐 아니라 제퍼슨 연구소의 연속 전자빔 가속기 시설(CEBAF)과 미국 에너지부 브룩헤이븐 국립연구소의 상대론적 중이온 충돌기(RHIC) 프로그램을 포함한 여러 실험에서 얻은 기존 및 최신 관측 데이터를 활용하여 연구 결과를 도출했습니다. 이 두 입자 가속기는 모두 미국 에너지부 과학국(DOE) 산하 사용자 시설로, 전 세계 핵물리학자들이 연구 수행에 활용하고 있습니다. 멜니추크는 "저희의 분석은 다른 그룹과 달랐습니다. 사물이 어떻게 움직여야 하는지에 대한 이론적 가정을 최대한 없애려고 노력했습니다."라고 말했습니다.
그러한 가정 중 하나는 비편광 파톤 분포가 확률론적 해석을 가져야 한다는 것이었다. 멜니추크는 파톤(글루온, 쿼크, 그리고 양성자 내부의 다른 구성 입자들을 통칭하는 용어)에 관한 이러한 가정이 "기술적인 문제"임을 인정했다. "하지만 이는 전 세계 다른 연구팀의 이전 분석에서도 가정되었던 사항입니다."라고 그는 덧붙였다. "그리고 이제 우리는 그것이 근본적인 문제가 아니라고 생각합니다."
멜니추크는 원래 RHIC의 관측 데이터가 긍정적인 ∆g 방향으로 이어지는 글로벌 합의를 만들어냈다고 말했습니다. "하지만 추가 분석을 해보니 상황이 덜 명확해졌습니다."라고 그는 말했습니다. "양의 글루온 스핀과 음의 글루온 스핀을 모두 허용하는 매개변수 공간의 구석이 있었기 때문입니다." 그는 JAM 연구진이 몇 년 전 음의 ∆g가 여전히 실현 가능한 가능성을 제시하는 논문을 발표했다고 말했습니다. 그 논문은 당시 전 세계 핵물리학계의 상식에 어긋나는 것이어서 논란의 여지가 있었는데, 당시 양(+)의 글루온 스핀 쪽으로 크게 기울어 있었습니다. 한편, HadStruc 연구진은 같은 문제를 다른 방식으로 다루어 왔습니다. 그들은 슈퍼컴퓨터와 격자 양자역학(QCD) 공식을 사용하여 양성자 내 쿼크와 글루온 간의 상호작용을 설명하는 기본 양자역학 이론을 계산했습니다.
"기본적으로 시공간을 이산화하는 겁니다." 헌트-스미스가 설명했다. "시공간을 여러 조각으로 나누면 많은 물리적 특성을 계산할 수 있죠." 이론 센터의 Nathan Isgur Fellow인 Joe Karpie가 주도한 이후의 JAM과 HadStruc 협업 분석에서는 새로운 격자 QCD 결과를 실험 데이터와 결합하여, 이를 통해 범위가 좁아졌지만 여전히 음의 Δg가 허용된다는 점을 지적했습니다. "긍정적인 해결책을 약간 선호했지만, 통계적으로 유의미하지는 않았습니다."라고 헌트-스미스는 말했습니다. "이것이 바로 우리의 새로운 연구가 필요한 부분입니다." 고에너지 입자는 분석을 위한 새로운 데이터를 추가합니다.
그는 공동연구자들이 Jefferson 연구실에서 CEBAF를 이용한 실험을 포함한 심부 비탄성 산란 실험에서 얻은 데이터를 어떻게 포함시켰는지 설명했습니다. 그는 "전자를 가져다가 양성자에 발사하면 양성자 내부, 즉 양성자 내부에 있는 다양한 쿼크와 글루온을 조사할 수 있고, 이를 통해 양성자 구조에 대해 더 잘 이해할 수 있다"고 말했다. 헌트-스미스는 JAM 그룹이 특히 심층 비탄성 산란 실험에서 얻은 고배율 데이터, 즉 결과에서 특히 중요한 부분에 집중했다고 말했습니다.
이 데이터는 전자가 양성자 구성 요소와 충돌하여 매우 높은 운동량(또는 매우 높은 에너지)으로 검출된 입자를 나타냅니다. 그는 고배율 데이터를 통합하려면 몇 가지 추가적인 이론적 고려 사항이 필요하다고 언급했습니다. "그래서 그 이론을 추가했습니다."라고 그는 말했다. "추가된 고배율 데이터를 설명하기 위해 분석에 더 많은 매개변수를 추가한 후 분석을 다시 진행했습니다. 고배율 데이터를 포함했을 때 양성 ∆g 복제본과 음성 ∆g 복제본 사이에 통계적으로 유의미한 차이가 있음을 발견했습니다.
핵심적인 발견은 음성 복제본이 크게 불리하게 작용했다는 것입니다." 헌트-스미스는 JAM 분석 결과 ∆g가 심부 비탄성 산란에서 얻은 고x 데이터뿐만 아니라 RHIC에서 수행한 다른 양성자 충돌 연구에서 얻은 편광 제트 실험 결과와 최근의 HadStruc 격자 QCD 데이터에 의해서도 제한을 받는다는 것을 보여주었다고 덧붙였습니다. 결과는 완전히 확실하지는 않지만, 분석 결과 음의 ∆g 글루온이 존재할 가능성은 그 어느 때보다 낮아졌습니다.
"제퍼슨 랩 데이터를 다른 어떤 분석에도 포함시킨 사람은 아무도 없을 겁니다. 이 분석의 매우 중요한 특징이라고 생각합니다."라고 토마스는 말했습니다. "이 데이터는 다른 누구도 접근할 수 없었던 매우 포괄적인 지역 데이터셋이며, 포괄적인 전 세계 분석에 포함된 것은 이번이 처음입니다." 사토는 JAM 논문이 음의 ∆g 가능성을 낮추었지만, 그 가능성을 완전히 배제하는 것은 아니라고 말했습니다. 그는 제퍼슨 연구소의 현재 진행 중인 CEBAF 12GeV 연구 프로그램이나 미래의 전자-이온 충돌기(ECLA)와 같은 장비에서 얻은 추가적인 관측 데이터가 기존의 이론적 가정들을 대체할 수 있을 것이라고 덧붙였습니다.
제퍼슨 연구소는 브룩헤이븐 국립연구소와 협력하여 브룩헤이븐에 전자-이온 충돌기를 설계하고 구축하고 있습니다. "그렇다면 문이 100% 닫힐 수도 있습니다."라고 그는 말했다. "하지만 이제 우리는 기본적으로 그 틈을 메우고 있습니다."
참고문헌: N. T. Hunt-Smith, C. Cocuzza, W. Melnitchouk, N. Sato, A. W. Thomas, M. J. White 저, "New Data-Driven Constraints on the Sign of Gluon Polarization in the Proton", 2024년 10월 16일, Physical Review Letters . DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.161901
https://scitechdaily.com/spin-secrets-exposed-scientists-unravel-a-decades-old-proton-mystery/
메모 2404301557_소스1.분석중【】
증분 양자 qpeomsmass.∆g의 부호를 정확히 알아내는 것은 양성자가 어떻게 회전하는지 알아내는 데 필수적이며, 수년간의 관찰 작업과 이론을 통해서도 결정적인 답을 얻지 못했다.
보기4.는 ∆g(oser)의 부호를 정확히 알아내는 것은 양성자가 어떻게 회전하는지 알아내는 문제의 해답처럼 보인다. 24ms(abcdef*4).infinity2.oss로 나타내는 전하의 zerosum 상태에 이른다. 그것이 아니면, 혹시 6차oms의 susqer와 rivery에 의한 양성자 중성자의 모습일 수도 있다. 어허. 굿굳이여.
보기4.
sample msoss
zxdxybzyz
zxdzxezxz
xxbyyxzz
zybzzfxzy
cadccbcdc
cdbdcbdbb
xzezxdyyx
zxezybzyy
bddbcbdca
_[2】스핀은 susqer, rivery의 ∆g.bar를 가진다. 무거워서 기울거나 가벼워서 기울기를 가진다는 의미일 수 있는 양자 단위의 위상적 1/2 위치 변화를 함의한다.
양과 음으로 표현될 수 있는 방향성을 스핀의 부호로 칭한다면 음의 ∆g 기울기는 음의 좌표 를 가진다.
qvixer.Ia,bl 부등식에서 절대값이 없이 부호만으로 증분질량∆g을 결정할 수는 없다. 하지만 영역이 음의 -+,--에 속한 ∆g이면 음의 증분질량은 susqer,river.bar 글루온의 기울기는 부등식 함수의 영역로 나타난다. 어허. 좀더 다른 표현을 도입하면 ems=0 기준의 위아래, 좌우로도 글루온 bar의 표면장력(*)으로 표현될 수 있다. 어허.
이는 양의 글루온 스핀과 음의 글루온 스핀을 모두 허용하는 매개변수 공간의 구석이 대단히 넓게 있었기 때문이다. 어허.
_[3】임의의 아원자 속성을 정의역 하는 poms.1 단위계열 *보손의 전 스핀이 정수 전자는 쿼크와 같은 아원자이기에 양자장 상황에서 페르미온 qms.qvixeer.qcell 양성자와 충돌할 가능성이 있다.
물론 원자적으로 중성적 균형을 가지지만 전자(11)를 무제한 가속 압축하여 양성자 타켓2에 충돌을 실험적으로 야기될 수는 있다. 어허.
*boson은 스핀이 정수이고 보스-아인슈타인 통계를 따르는 입자이다. 파울리 배타 원리를 따르지 않아 상태가 겹쳐 있을 수 있는 입자들이다. 그리고 이 특징 때문에 보손 입자들이 대개 상호작용을 실어나를 수 있는 것. '보존'이라고 부르는 경우도 많다.
모든 입자들은 보손이나 페르미온 둘 중 하나이다. 여기서의 입자는 소립자만을 말하지 않고 분자 미만의 입자를 이야기한다. 즉, 원자 역시 보손 아니면 페르미온. 4He 원자같은 경우가 보손이다.
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