원자핵의 자유도

자유도

 

파이 개체 자유도
상호작용 보손 만드는 중모델링과 동시에 핵구조 이론은 핵 내 비핵자 자유도 연구에서 새로운 진전을 이뤘습니다. 핵 집단모델로 대표되는 광의의 핵 케이스 모델은 어느 정도 성공을 거뒀지만 한계가 있습니다. 우선 이 모델들은 일부 실험 사실이나 관측 현상에 입각해 어떤 측면에서든 핵 서브시스템을 유추적으로 반영하는 메커니즘입니다. 게다가 핵반응 이론에서,도입되는 조절 가능한 파라미터는 너무 많습니다. 조절 가능한 파라미터가 많을수록 이 이론은 성숙성과 완전성에서 멀어짐을 나타냅니다. 게다가 기존의 여러 핵 모델 간 통일된 내적 연결고리가 결여돼 있어 하나가 다른 하나를 포용하는 것이 아니라 서로 독립적이고 연관성이 적습니다. 따지고 보면 이런 문제의 원인은 핵다체 시스템에 대한 인식 때문입니다. 전통적으로 핵 내 핵자는 무구조적인 점일 뿐 핵은 핵자 자유도만 존재하고 핵자 간의 역할은 단순히 두 점 사이의 역할로 간주되는 점으로만 이뤄져 왔습니다. 사실 30년대부터 핵 안에 비핵자가 존재할 자유도가 있다는 예언이 있었습니다.

1932년 채드웨이원자핵 안에 양성자 외에 중성자가 있는 것을 발견한 하이젠버는 곧 원자핵이 양성자와 중성자로 이루어져 있다고 주장했습니다. 그러나 어떤 힘이 이들을 핵에 단단히 묶어둘까요? 1935년 유카와 교수는 파이개자를 핵력의 매개체로 보고 베타 붕괴에 관여하면서 핵력장 방정식과 핵력의 세를 제시했습니다. 이 이론에 따르면 양성자와 중성자는 파이 개체 교환을 통해 서로 바뀝니다. 1947년 파이개체는 우주선에서 발견됐습니다. 유카와 교수는 핵력이론에서 파이스케의 존재를 예언한 공로로 1949년 노벨 물리학상을 받았습니다.

입자물리학이 발달하면서 전시회에서 사람들은 원자핵 내에서 파이 개체 자유도, 介 개체 자유도, 각종 핵자의 공진 상태 Δ, σ 입자 자유도, 핵 내 쿼크 자유도, 핵 내색 유발 자유도 등 전통적인 핵에 대한 인식보다 훨씬 복잡한 양상이 발견되고 있습니다. 이러한 자유도에 대한 연구는 원자핵물리학의 기본 내용을 크게 풍부하게 합니다.

여러 해 동안, 사람들은 줄곧 있었습니다. 핵 내에 파이 매개체가 존재한다는 직간접적인 실험적 증명을 구하고 있습니다. 주요한 어려움은 핵 안에 파이 매개체가 존재한다는 것을 알고 파장이 극히 짧은 입사입자 빔을 필요로 하는 것입니다. 강력한 상호작용에 따른 불확실성을 피하기 위해 광자를 입사시키는 방법을 택했습니다. 핵 안에 파이 개체의 자유도가 존재한다는 것을 증명해 준 유명한 두 실험이 있습니다. 하나는 듀테륨 핵의 광분열 실험으로 사람들은 두 가지 방법으로 듀테륨 핵 광분열 감마+D→n+p 과정의 반응 단면을 계산했습니다. 그 결과 광자 에너지 Er ≤ 50MeV의 경우 핵이 순핵자 자유도만 있다고 판단한 계산 결과가 실험과 부합해 편차가 10% 정도밖에 되지 않았지만 Er > 50MeV의 경우 순핵자 자유도 계산과 실험 결과의 괴리가 현저하게 커졌고 파이 매개체 자유도를 고려한 뒤에야 실험 결과와 일치하는 것으로 나타났습니다. 이 실험은 핵 내 파이 개체의 존재를 입증하는 것은 물론 통상적인 저에너지 핵물리에서는 분자의 자유도가 발현되지 않는다는 것을 보여줍니다. 파이 매개체의 자유도를 입증한 또 다른 연구실험은 전자산란을 이용한 3He 형상인자 연구실험입니다. 실험 결과, 전자와 핵의 동량 전이 과정 중 핵 중심부에 가까워질수록 동량 교환값이 커집니다. 핵 중심부는 고동량 전이 영역이고, 핵의 가장자리는 저동량 전이 영역입니다. 그러나 저동량 전이 영역에서만 순수 핵자 자유도 이론은 실험 결과에 부합합니다. 고동량 전이의 중심부에서는 파이 매개체 및 Δ자유도의 영향을 반드시 계상해야 실험에 부합합니다. 이 실험은 핵 내 π개체 자유도의 존재를 입증하는 것일 뿐 아니라 원자핵의 중심부에서 비핵자 자유도 문제의 중요성이 더욱 부각되고 있음을 시사합니다.

쿼크 자유도
40년대 말부터 50까지 입자물리는 연대기 초 세계적으로 대형 가속기가 가동되면서 핵물리에서 분화됐습니다. 1960년대 이후 입자물리는 괄목할 만한 발전을 거듭했습니다. 예를 들어 70년대 초 그라쇼와 살람, 와인버그는 SU(2)U(1) 대칭군의 규범 이론에 약하고 전기적인 상호작용을 통합해 실험적으로 직간접적으로 실증했습니다. 입자물리의 또 다른 유명한 업적은 쿼크 모델과 양자색역학의 정립입니다. 미시세계에서의 대칭성에 따라 강자를 분류할 수 있을 뿐 아니라 강자의 내부 구조에 대한 인식에도 효과적인 길을 열어주고 있습니다. 저에너지 강자는 SU(3) 대칭군에 따라 분류됩니다. 이들 강자의 기본 부재이자 SU(3) 대칭군의 기초가 되는 것이 쿼크이며 u 쿼크, d 쿼크, s 쿼크를 포함합니다. 강자가 자연계에서 일반적으로 준수하는 스핀과 통계적 관계를 만족시키기 위해 각각의 쿼크에는 3가지의 다른 색이 있습니다.

 

색 상호작용이 강한 상호작용의 기원이며, 색 상호작용을 전달하는 8개의 매개자를 교자라고 합니다. 실질적으로, 강한 상호작용 이론은 바로 그것입니다. SU(3) 색대칭군의 규범 이론을 양자색역학(QCD)이라고 합니다. 쿼크 모형에 따르면 원자핵의 핵은 3개의 값 쿼크와 하이쿼크라고 불리는 거짓 쿼크-반 쿼크 대 고무로 이루어져야 하며, 핵자의 상호작용을 전달하는 중간자는 값 쿼크, 값 반대 쿼크와 하이쿼크, 고무로 이루어져야 합니다. 이런 물질구조의 새로운 관점은 핵 안의 핵자가 핵의 '환경' 속에 있는데, 이들이 도대체 자유 핵자와 무엇이 다른가 하는 생각을 일깨웁니다. 핵 환경은 핵자에 어떤 영향을 미칩니까?핵 내의 쿼크와 교자의 분포는 어떻습니까? 이들은 모두 어떤 역할에 관여하는가? 이런 일련의 문제들은 모두 핵내 쿼크 자유도와 같은 비핵자체(非核子自體)에 해당될 것입니다. 이러한 문제는 오늘날 핵물리 발전의 관건이 되었습니다.

아직 엄밀하게 양자 사용을 할 수 없습니다. 색역학은 원자핵과 같은 다쿼크 시스템을 묘사하고 있으며 쿼크 자유도가 있을 수 있다는 점을 고려해 보다 과감한 핵 간소화 모델을 제시하고 있습니다. 이 모델은 쿼크와 이들 사이의 상호작용력에서 출발, 원자핵의 다양한 성질을 전통적인 독립입자 껍질 모형과 유사한 방법으로 설명합니다. 쿼크 간 상호작용을 생각할 때, 이 모델은 쿼크의 닫힌 성질을 고려하지 않고 '대력'이 존재한다고 가정합니다. 이 모델에 따르면 쿼크의 색자유도는 껍데기마다 허용되는 쿼크의 수를 기존 껍데기 모형의 껍데기마다 허용되는 핵자 수와 정확히 같게 만들어 원자핵 안에 있는 쿼크는 자유도가 있어 자유핵자처럼 폐쇄되지 않을 수도 있다는 생각을 갖게 합니다. 원자핵 내의 쿼크 자유도를 나타낼 수 있습니까? 이런 핵심 이슈에 대한 연구에서 핵물리와 입자물리 두 학과는 다시 만나 합류하는 추세입니다.

EMC효과

전통적인 원자핵의 양성자-중성자 모델은 저에너지 핵현상을 기술하는데 성공했는데, 이는 핵 내 쿼크 효과나 다른 비핵자 자유도를 발견하려면 고에너지 핵현상에서 찾아야 한다는 것을 보여줍니다. 또 원자핵은 여러 개의 핵자, 중매자가 조합된 집합시스템인 반면, 핵자, 중매자는 모두 고무로 상호작용하는 쿼크시스템으로 핵자가 핵 내에서 끊임없이 움직이고, 핵자 간의 중첩으로 쿼크집단이 형성돼 크기, 질량 등 자유핵자와는 달리 질량이 약간 부풀어 '뚱뚱한' 질량과 유효한 질량이 될 것이라고 표준모델은 예언했습니다. 또 핵 내 핵자에 갇힌 쿼크 밀도 분포도 자유 핵자와 다를 수 있습니다. 쿼크 자유도가 미치는 영향인데 이를 쿼크 효과라고 합니다.

핵내쿼크 효과를 찾는가장 직접적이고 효과적인 방법은 '프로브'로 탐지하는 것입니다. 이런 '탐침'이 바로 에너지가 매우 높은 입사 입자입니다. 입사 입자의 에너지가 높을수록 도이치로는 파장이 짧고, 핵 내 미세한 척도를 가리는 능력이 뛰어납니다. 또 강한 상호작용에 대한 이해가 전자기적 상호작용만큼 정확하지 않기 때문에 전자와 미세자 등 비강자를 탐침으로 사용하는 것이 좋습니다. 실험 결과에 대해 일각에서는 몇 개의 징전자볼트에 달하는 고에너지 경자(輕子)로 핵 내에 침투했을 때 핵내 쿼크와 상호작용해 산란하고 산란 입자의 에너지, 동량, 산란각 분포를 측정해 핵내 쿼크의 운동량 분포, 즉 핵자의 구조함수를 탐지할 것으로 예상합니다. 또 다른 사람들은 원자핵은 하나의 양성자-중성자로 구성된 약속박 체계일 뿐, 몇 개의 징전자에 이르는 고에너지 과정의 약한 속박은 별 효과가 없고, 핵의 '환경' 영향은 드러나지 않으며, 자유핵 표적과 원자핵 내 핵자 표적에서는 측정 상수 차이가 없을 것이라고 주장합니다. 그러나 실험 결과는 예상을 크게 뒤엎었습니다.

1982년, 유럽에서입자물리연구센터는 17개국 89명의 고에너지 물리학자로 유럽 EMC팀을 구성해 대전성 경전자 심도 비탄성 산란 실험을 진행했습니다. 이들이 사용하는 고에너지 경자는 전자와 미세자, 중성미자로 경자와 핵자 사이에 전달되는 에너지는 몇 개에서 수십 개의 GeV에 달한다는 실험 결과가 물리통신지에 발표됐습니다. 실험에서 철원자핵구조함수와 듀테륨구조함수의 비율을 얻었습니다. 이 비율은 쿼크운동량과 핵자의 평균운동량비 x의 함수라는 것을 알아냈습니다. x가 일정한 범위(부요켄 영역) 내에 있을 때 0.05~0.8로 일정한 법칙으로 x에 따라 변합니다. 이 결과는 중요한데, 핵 내 핵자가 자유 핵자의 성질을 유지한다고 생각한다면 이는 1이 되어야 하고, 1이 빗나간 실험 결과 원자핵 내 핵자는 저에너지 쿼크를 많이 포함하고 있기 때문입니다. 핵의 속박은 약하지만 주변 핵물질의 존재는 여전히 핵 안에 갇힌 쿼크의 동량 분포에 영향을 미치고 있습니다. 이 실험 사실에 직면하여, 사람들은 어쩔 수 없이 원래의 견해를 바꾸었습니다. 이를 통해 'EMC 효과'라는 이름이 붙었습니다. 이후 EMC 효과는 미국 스탠퍼드 직선가속기, 독일 전자동기 가속기, 세계 여러 대형 가속기의 실험에 의해 속속 확인됐습니다.

EMC 효과의 발견인용세계적인 돌풍을 일으킨 것은 우연이 아닙니다. 과학사의 많은 중요한 발견들처럼 '선험적 이론'이 아니라 실험적 사실들이 사람들에게 새로운 관념을 강요하는 것은 원자핵 내 핵자의 아구조가 일반 자유핵자의 아구조와 뚜렷하게 다르다는 점입니다. 역설적인 예를 들자면, 사람들이 일부 '선험적 이론'에 얽매이지 않았다면 EMC 효과를 십수 년 더 일찍 발견했어야 했습니다. 70년대 초 스탠퍼드 직선가속기연구소(SLAC)에는 핵자구조 함수를 고에너지 전자로 측정한 연구팀이 있었습니다. 이들은 액체수소와 중수소 등을 표적으로 삼아 핵중양성자와 중성자의 구조함수를 얻었습니다. 액체수소나 중수소 등을 담는 용기가 강철과 알루미늄이기 때문에 본저의 영향을 없애기 위해 용기의 빈 표적 측정을 해 강철과 알루미늄 표적의 구조함수를 파악했지만 자유핵자의 결과와 비교할 줄은 몰랐습니다. EMC 효과 결과 발표 이후 십수 년 전만 해도 잘 보존돼 있던 데이터를 다시 계산해 분석한 이들은 스스로 '고고학 연구'라고 놀렸습니다. 그 결과는 두 차례 연구가 끝난 뒤 십수 년 만에 서로 다른 탐지입자, 에너지존을 측정했더니 정확히 일치하는 결과가 나왔습니다.

 

이 같은 사실은 EMC 효과의 존재를 다시 한 번 확인시켜 줄 뿐 아니라 SLAC팀이 10여 년 전에 실험의 모든 데이터를 얻었지만 EMC 효과의 발견자가 되지 못했다는 사실을 냉철하게 보여주는 것은 이미 널리 받아들여졌음에도 실험 사실이 확인되지 않은 선험적 이론에 대한 재검증이 필요함을 말해 주지 않을 수긍이 갑니다. 1988년, EMC 그룹은 또 아주 작은 부요켄 구(0.003 ≤ x ≤ 0.2)에서 서로 다른 핵(12C, 46Ca)에 대하여, 73Cu, 56Fe, 119Sn) 측정하였습니다. 그 결과, 구조함수의 비율이 0 ≤x<0.1일 경우 1보다 작으면 명백한 차폐현상이 있고, 0.1 ≤x ≤ 0.2일 경우 구조함수의 비율이 1보다 크거나 같으면 약한 차폐현상이 있으며, 차폐현상은 핵에 따라 다른 것으로 나타났습니다. 버거(E. L. Berger) 등은 이 같은 현상을 설명했습니다. 그들은 먼저 전통적인 핵으로부터-개서브모델은 핵자의 피밀운동 수정도 고려해 차폐현상이 핵자에 의한 '그림자', 즉 입사입자가 '그림자' 속에 있는 핵자를 볼 수 없는 데서 비롯된다고 봤습니다. 이 설명에 따르면 고에너지 경자 전이가 표적핵에 가해지는 동력이 증가함에 따라 빠르게 감소해 사라져야 하는데 실험현상은 이와 반대입니다. 이는 EMC 효과로 전통적인 핵-개자 모형이 어려워졌고 원자핵이 단순한 핵자의 집합이 아니며 핵자 운동의 페미닌 수정이 도입되더라도 핵 내 쿼크 분포가 자유 핵자와 달라 쿼크의 자유도를 고려하지 않을 수 없게 됐다는 것을 보여줍니다.

양자색역학에 따르면,쿼크의 상호작용 성질은 핵력, 전자기력 및 중력 성질과는 정반대입니다. 강자 안에서는 쿼크 간 거리가 매우 작아 상호작용이 거의 없고 행위가 상호작용이 없는 자유입자 같지만, 쿼크 간 거리가 커짐에 따라 폐쇄세가 급격히 높아져 쿼크는 강자의 안쪽에 갇혀 있는 것 같습니다. EMC 효과의 발견은 핵 환경 속에 갇혀 있는 쿼크는 자유 핵보다 자유 핵 안에 있는 쿼크 자유도가 클 수 있고, 핵 환경에서는 핵 안에 있는 쿼크가 어떤 확률로 핵 밖으로 달려나가거나 심지어 하나의 속박 핵자에서 침투해 다른 속박 핵자 속으로 들어가 서로 가까이 있는 두 핵자가 일정한 확률로 나올 수 있다는 생각을 하게 합니다. 핵 내 핵물질 밀도가 높을수록, 핵 중첩 기회가 많을수록 쿼크 폐쇄 길이가 늘어나는 효과가 큽니다. EMC 효과에 대한 이 설명은 칼슨(E. E. Carlson)과 클로스(F. E. Close)가 차례로 설명하였습니다. 이들의 설명은 1988년 EMC 협력팀의 실험 결과와 대부분 일치하는 것으로 나타났습니다.

사실 증명, 쿼크의 자유도에 대한 연구는 아직 매우 초보적인 것으로 문제의 마지막 원만한 해결과는 여전히 상당한 거리가 있습니다. 연구가 진행될수록 문제가 꼬리를 물고 이어졌습니다. 1990년 하반기 스탠퍼드직선가속기연구센터는 800GeV의 고에너지 양성자로 서로 다른 표적핵을 폭격해 발생하는 쌍μ자 실험으로 표적핵 내해 쿼크 밀도 분포 변화를 측정한 EMC 효과에 관한 새로운 실험 결과를 발표했습니다. 그 결과 부요켄 변수 범위 0.1<x<0.3>에서 하이쿼크 밀도는 대체로 변하지 않았으며 이는 EMC 효과의 여러 모델 이론의 예언과 일치하지 않는 것으로 나타났습니다. 그럼에도 EMC효과는 쿼크 차원에서 핵의 그룹과 구조를 재인식해야 한다는 것을 깨닫게 하는 한편, 핵의 쿼크 폐쇄성질 변화로부터 폐쇄의 근원을 논하는 입자물리 연구에 새로운 지평을 열었습니다. 그것은 사람들에게 고에너지 핵물리 및 고에너지 중이온 핵물리의 실험과 이론적 연구가 반드시 핵 속의 쿼크 효과 연구에 더욱 풍부한 내용, 쿼크, 교자 자유도의 핵효과를 제공할 것이라고 확신하게 합니다. 그리고 쿼크, 교자 자유도와 핵자, 개체 자유도의 상관관계가 밝혀질 것입니다.