유인권 교수 등 미국 BNL 국제공동연구, <네이처> 표지 논문 장식

가장 강한 토네이도보다 1023배 강력한 소용돌이, 금핵-금핵 충돌서 관측

자연에 없던 발견 … 우주 근원과 진화과정 연구에 새로운 이정표 제시

[자료제공=부산대] 우리가 알고 있는 가장 강한 토네이도보다 10의 23제곱 배나 강력한 소용돌이가 국내 부산대 연구진이 포함된 국제공동연구그룹 ‘스타(STAR)’의 실험에 의해 세계 처음으로 측정에 성공해, 향후 우주 근원과 진화과정을 밝히는 데 새로운 이정표를 제시할 전망이다.

부산대 연구진(STAR 한국연구진 대표 유인권 물리학과 교수 등)이 참여한 미국 브룩헤이븐 국립 연구소(BNL)의 스타(the Solenoid Tracker at RHIC, STAR) 실험그룹은 우주에서 가장 강한 소용돌이를 금핵-금핵 충돌을 통해 측정하는 데 성공해, 관련 연구결과를 과학 분야 세계적 권위지인 <네이처(Nature)>지(IF 38.138) 8월 3일자에 표지논문으로 게재했다고 3일 밝혔다(논문명: Global Λ hyperon polarization in nuclear collisions: evidence for the most vortical fluid). 

지금까지 자연에서 관찰된 적 없는 이 엄청난 현상을 연구한 스타(STAR)는 1999년부터 시작된 대표적인 중이온 충돌 실험 그룹으로, 현재 세계 13개국 500여 명의 과학자와 기술자들이 협업해 국제 공동연구를 수행 중이다. 2010년과 2011년, 2015년에 반물질 입자를 발견해 관련 논문을 <네이처>와 <사이언스>지에 게재했다. 

앞서 이 그룹은 2005년에 대형가속기를 통한 중이온 충돌 실험에서 생성된 물질의 상태가 점성이 거의 없는 완전유체(perfect fluid)임을 관측했다. 이는 우주의 초기상태일 것으로 예측되는 쿼크-글루온 플라스마(Quark-Gluon Plasma, QGP)의 존재에 대한 중요한 증거로 여겨진다. 이러한 고온·고압의 쿼크-글루온 플라스마 상태는 고에너지 중이온 충돌 실험을 통해서 재현 가능해 스타 그룹은 금핵-금핵 충돌 실험을 통해 이 극한 조건에서의 물질상태에 대한 연구를 진행해오고 있었다.

이 과정에서 다양한 핵종(양성자·구리·금·우라늄 등)을 양쪽에서 충돌시키는 원자핵 충돌실험이 이뤄져왔으며, 특히 이번에 중심에너지 80~400억 전자볼트의 금핵-금핵 충돌실험에서 소용돌이를 측정한 결과 역사상 지금까지 실험에서 측정된 소용돌이보다 10의 19제곱 배 이상, 자연의 토네이도 기록보다는 10의 23제곱 배 강력한 우주최강 소용돌이를 측정하는 데 성공한 것이다. 

이 결과는 상대론적 중이온 충돌기(RHIC)에서 생성되는 극한 상태의 물질의 특성을 이해하는 데 중요한 이정표를 제공한다. 인류는 기존의 실험결과들로부터 이 극한상태의 물질은 초고온·초고밀도·초저점성에 대한 특성을 갖고 있다고 이해하고 있었고 이번 결과로부터 새롭고도 엄청나게 강한 소용돌이 구조가 이 물질상태에 존재함을 알 수 있게 된 것이다. 이는 관련 극한 상태의 유체역학 이론 개발에도 중요한 단서로 제공될 전망이다.

이번 <네이처> 논문에는 우리나라에서는 부산대 연구진이 과학기술정보통신부(미래창조과학부)의 중견연구자지원사업 지원을 받아 유일하게 참여했으며, 공저자로 부산대 물리학과의 유인권 교수와 이 학과 오근수 박사과정생이 무거운 쿼크에서 붕괴한 전자에 대한 연구를 함께 수행했다. 유인권 교수는 스타 그룹에서 한국연구진 대표를 맡고 있다.  

유인권 교수는 “엄청난 에너지로 충돌한 원자핵들이 만들어낸 새로운 물질상태에 대한 연구는 최초의 우주에서 생성된 입자들이 어떻게 결합하여 현재 우리가 보고 있는 원자·분자와 같은 물질세계를 만들었는지에 대한 근원적인 질문에 대한 연구”라며 “이번 결과로부터 우리가 이제까지 상상하지도 못했던 소용돌이구조가 있었다는 것을 알게 됐으며, 앞으로도 여러 가지 다양한 방법으로 이 물질상태에 대한 연구를 계속하여 궁극적으로 물질의 근원과 그 진화과정을 알아내고자 한다”고 밝혔다. 

유 교수는 서울대 천문학과를 졸업한 뒤 독일 마부르크대 물리학과 디플롬, 마부르크대 물리학과 박사를 했다. 

-브룩헤이븐 국립 연구소(Brookhaven National Laboratory, BNL): 1946년에 설립돼 미국 뉴욕주에 위치한 미국의 국립연구소로 현재 중이온 충돌 실험과 그 외에도 다양한 분야의 과학 연구에 힘쓰고 있다.

-금핵(gold nuclei): ‘금 원자’(Au)에서 전자를 모두 제거한 이온상태(Au79+)의 금 원자핵

연구 필요성
우주 초기상태에는 쿼크와 글루온들이 강입자에 속박되어 있지 않은 쿼크-글루온 플라스마(Quark-Gluon Plasma, QGP) 상태일 것으로 예측된다. 이러한 고온, 고압의 쿼크-글루온 플라스마 상태는 고에너지 중이온 충돌 실험을 통해서 재현 가능하고, 스타 검출기 실험팀은 금핵-금핵 충돌 실험을 통해 이 극한 조건에서의 물질상태에 대한 연구를 진행해오고 있다.
이전의 연구 결과에 따르면, 고에너지의 중이온 충돌에 의해 강하게 상호작용하는 완전유체(strongly interacting perfect fluid)가 생성되었음을 알 수 있었고 이는 쿼크-글루온 플라스마의 존재에 대한 중요한 증거로 여겨진다.

연구 내용
이러한 분석을 위해서는 우선 풍부한 양의 람다와 반람다 입자가 생성되는 충돌실험이 이뤄져야 하며, 다양한 충돌 에너지의 금핵-금핵 충돌시스템에서 람다 입자의 정밀한 물리량을 측정할 수 있는 충분히 높은 공간분해능을 갖는 검출기가 성공적으로 작동해야 한다.
스타 (STAR) 실험은 브룩헤이븐 국립 연구소(BNL)의  상대론적 중이온 충돌기(RHIC)의 대형 실험 중의 하나로, 다양한 충돌 에너지 (30억~최대 5100억 전자볼트)의 다양한 핵종(양성자, 구리, 금, 우라늄 등)을 양쪽에서 충돌시켜 원자핵 충돌실험을 진행하고 있는 검출기 실험이다.
스타(STAR) 검출장치의 거대 극장(0.5T) 내에 남긴 궤적의 곡률 반경, 각 입자들이 갖는 특징적 궤적을 고려하여 입자들을 분석 가능하게 하였다. 특히 중심에너지 80억~400억 전자볼트(8~40 GeV)의 금핵-금핵 충돌실험에서 람다와 반람다 입자를 측정했다. 그리고 그를 바탕으로 그들의 분극도를 측정했다.
측정된 람다와 반람다입자의 도를 유체역학적 관계식을 이용해서 소용돌이도를 측정했고, 이는 역사상 지금까지 측정된 소용돌이도보다 1019배 이상 큰 (9±1)×1021/초 의 소용돌이도를 측정했다.

기대 효과
이 결과는 상대론적 중이온 충돌기(RHIC)에서 생성되는 극한 상태의 물질상태의 특성을 이해하는 데 중요한 이정표를 제공한다. 기존의 실험결과들로부터 이 극한상태의 물질은 초고온, 초고밀도, 초저점성에 대한 특성을 갖고 있다고 이해하고 있었고 이번 결과로부터 새롭게 엄청나게 강한 소용돌이 구조가 이 물질상태에 존재함을 알 수 있었다. 또한 관련한 극한 상태의 유체역학 이론 개발에도 중요한 단서로 제공될 전망이다.

 

연구결과 Q&A

Q. 이번 성과 뭐가 다른가
A. 기존에는 금핵-금핵 충돌 시스템에서 생성된 극한상태의 핵물질, 즉, 쿼크-글루온 플라스마 상태에 특성에 대한 많은 연구가 있어왔다. 그 결과 우주에서 가장 높은 온도, 가장 낮은 점성에 대한 연구 결과가 있었고, 이번 실험결과로부터 가장 강한 소용돌이도를 가진 물질이라는 것을 새롭게 발견되었다. 

Q. 어디에 쓸 수 있나
A. 금핵?금핵 충돌 실험에서 관측한 강하게 상호작용하는 물질안에서 완전유체의 매우 강한 소용돌이도를 관측 할 수 있음을 확인함으로써 쿼크-글루온 플라스마 상태에 대한 이해의 확장에 중요한 가이드라인을 제공하였다.

Q. 실용화까지 필요한 시간은
A. 인류의 우주에 대한 이해와 지식을 진보시킨 업적으로서 실용화와는 거리가 멀다. 하지만, 다양한 충돌 에너지의 중이온 충돌 실험에서 이전까지 볼 수 없었던 강한 소용돌이를 관측함으로서 기존의 중이온 치료 및 원자력 등 응용 방사선 기술에 새로운 기본 지식을 제공하여 추후 방사선 검출기술 연구개발에 기여할 수 있다.

Q. 실용화를 위한 과제는 
A. 이런 대형 국제공동연구에 활용된 초정밀 첨단 입자 검출기의 직접적인 연구 개발과 제작에 참여하여, 국내 연구진의 검출기에 대한 이해도를 높이고, 그 결과 얻은 대용량 데이터를 분석하는 기술을 숙련해야한다. 이 노하우를 통해 국내의 검출기 연구개발 인프라를 구축 및 나아가서 국내 검출기를 통해 수집한 데이터를 분석 할 수 있도록 해야 한다.

Q. 연구를 시작한 계기는
A. 고 에너지 중이온 충돌 실험은 일반적인 입자 충돌 실험과는 달리 대단히 복잡하고 엄청난 대용량 데이터의 포괄적인 생산과 분석 기술을 필요로 하며, 동시에 우주 최초의 물질 구성에 대한 중요한 단서를 제공한다. 본 연구 업적은 우주 최초 물질 상태의 특성을 연구하면서 얻게 된 성과다.

Q. 에피소드가 있다면
A. 500여명의 국제적인 전문가 그룹이 함께 공동의 실험을 수행하고 그 연구결과를 분석하는 일은 대단히 치밀한 공조로 이루어지며, 어느 한사람의 공로로 여겨질 수 없다. 부산대도 2003년부터 꾸준한 지원을 통해 2010년부터 본격적인 데이터 분석에 기여하고 있으며 동시에 우주 초기상태의 물질에 대한 이해를 위해 여러 가지 주제의 연구를 하고 있다. 그 중 하나가 소용돌이도에 대한 연구이고, 앞으로 더 놀라운 연구 성과를 창출해가는 첫 성과로 기억됐으면 한다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표가 있다면
A. STAR 검출기 실험팀은 지난 17년간 다양한 중심에너지(3~510GeV)와 다양한 핵종(양성자, 이중수소, 구리, 금, 우라늄 등)의 충돌 실험을 진행해왔고, 분석 되어야하는 무수히 많은 데이터와 입자들이 있다. 발표된 결과를 재검증 및 에너지에 대한 경향성을 보고자 더 많은 연구진이 참여 및 연구하여 새로운 지식 창출에 대한 부산대의 기여도를 더 높일 수 있으면 좋겠다.

Q. 신진연구자를 위해 한마디 해달라
A. 핵-입자-천체 등 진정한 기초과학은 오늘날 더 이상 혼자로서는 불가능한 집단화, 대형화, 국제화가 진행되고 있다. 승자독식의 우리나라 환경은 이러한 공동의 집단연구와 그 안에서의 고유한 역할의 수행, 그리고 함께 얻게 되는 인류역사에 남을만한 중요한 성과를 남기는 데 상당히 낯설고 인색한 감이 있다. 하지만, 국내 연구 환경에 매몰되지 말고, 국제적인 공동의 연구 성과를 내는 데, 자신들만의 고유한 역할을 묵묵히 수행해가는 훌륭한 연구자가 되기를 바란다.

 

용어 설명
△쿼크-글루온 플라스마
초고온과 초고압에서 생성된 새로운 물질의 상태로 쿼크들이 자유롭게 이동하는 액체상태일 것이라 예측한다. 고 에너지의 무거운 입자가 충돌할 경우 엄청난 고압의 핵물질이 생성되며 이러한 핵물질의 온도는 10¹²K (대략 태양의 중심부 온도의 10만 배) 까지 상승될 것으로 예상되고 있다. 이러한 쿼크-글루온 플라스마는 지금으로부터 약 138억년전 빅뱅(Big Bang)에 의해 우주가 탄생된 직후의 초기 우주물질의 상태일 것으로 예측되고 있다.

△ 람다 입자
람다 입자는 3개의 쿼크(uds)로 이루어진 바리온으로 1950년 처음 발견됐다. 이 입자는 전기적으로 중성이기 때문에 직접적인 방법으로 측정은 매우 어렵다. 그래서 람다입자로부터 붕괴한 파이온과 양성자의 운동량과 에너지를 재구성함으로써 람다입자의 특성을 측정 할 수 있다.

△ 분극도
분극도(polarization)는 물리량중 하나인 스핀의 분극정도를 정량적으로 나타낸 수치다. 완전히 무작위로 스핀이 정렬돼 있다면 이 분극도는 0이 되지만 어떠한 외력에 의해서 한쪽 방향으로 더 많이 정렬이 되어 있다면 0이 아닌 값을 나타내게 된다.

△ 소용돌이도
소용돌이도(vorticity)는 와도(渦度)라고도 부르며, 얼마나 강하게 소용돌이 치는지를 정량적으로 나타낸 변수이다. 태양 표면 유체(10^-7/초), 초대형 토네이도 내부(10^-1/초), 목성의 거대 붉은 반점(10^-4/초) 그리고 지금까지 측정된 가장 강한 소용돌이도를 가진 유체는 초유체 헬륨-II의 난류(150/초)의 소용돌이도를 가지고 있다.