양자 진공에서 물질 생성의 단서 발견… 입자 충돌로 확인한 새로운 물리 현상

아무것도 존재하지 않는 것처럼 보이는 진공에도 물질의 형성에 영향을 미치는 양자적 구조가 존재한다는 사실을 뒷받침하는 새로운 실험 결과가 발표됐다. 고에너지 입자 충돌 과정에서 생성된 입자들이 서로 연관된 스핀 특성을 보인 것으로, 양자 진공의 특성이 실제 물질의 형성 과정에 어떻게 반영되는지 이해할 수 있는 단서가 마련됐다.

미국 에너지부 산하 브룩헤이븐 국립연구소(Brookhaven National Laboratory)의 STAR 국제공동연구팀은 상대론적 중이온 충돌기(RHIC)에서 수집한 양성자 충돌 데이터를 분석해 람다 하이페론과 반람다 하이페론 사이의 스핀 상관관계를 관측했다고 밝혔다.

연구 결과는 2026년 2월 4일 국제학술지 네이처(Nature)에 '양자색역학적 가둠 과정에서 쿼크 간 스핀 상관관계 측정(Measuring spin correlation between quarks during QCD confinement)'이라는 제목으로 발표됐다.

이번 연구는 양자색역학(QCD)이 설명하는 진공의 쿼크 응축 현상과 관측 가능한 입자의 생성 과정 사이의 관계를 실험적으로 조사했다는 점에서 의미가 있다.

양자장론에서 진공은 단순히 모든 것이 사라진 공간을 뜻하지 않는다. 입자가 존재하지 않는 최저 에너지 상태에서도 양자장은 남아 있으며, 양자역학적 요동이 발생할 수 있다. 특히 강한 상호작용을 지배하는 양자색역학에서는 쿼크와 반쿼크의 응축이 진공의 중요한 특성으로 설명된다.

이러한 진공의 구조는 쿼크의 질량 형성과 관련된 카이랄 대칭성 깨짐에 관여하며, 물질을 구성하는 복합입자의 성질을 이해하는 데 중요한 역할을 한다.

연구팀은 이론적으로 예측된 양자 진공의 특성이 고에너지 충돌에서 생성되는 입자들의 스핀에 어떤 흔적을 남기는지 확인하는 데 초점을 맞췄다.

이를 위해 2012년 RHIC에서 수집한 약 6억 건의 양성자 충돌 사건을 분석했다. 실험은 질량중심계 에너지 200기가전자볼트(GeV) 조건에서 수행됐으며, STAR 검출기가 기록한 입자의 운동 방향과 붕괴 정보를 활용했다.

분석 대상은 스트레인지 쿼크를 포함하는 람다 하이페론과 이에 대응하는 반입자인 반람다 하이페론이었다. 두 입자는 붕괴 과정에서 방출되는 입자들의 방향을 통해 생성 당시의 스핀 정보를 추정할 수 있어 쿼크 수준의 상관관계를 조사하는 데 적합하다.

분석 결과, 서로 가까운 방향으로 생성된 람다와 반람다 입자 쌍에서 약 18%의 상대 편극 신호가 나타났다. 관측 결과의 통계적 유의성은 4.4시그마로 보고됐다.

입자들이 서로 멀리 떨어진 방향으로 방출될수록 스핀 상관관계가 감소하는 경향도 확인됐다. 연구팀은 이러한 특징이 입자 생성 과정에서 초기 쿼크와 반쿼크가 가진 스핀 상관관계가 일부 유지될 수 있다는 해석과 부합한다고 설명했다.

특히 이번 결과는 쿼크가 강한 상호작용에 의해 결합해 하드론이라는 복합입자를 형성하는 과정에서 양자적 특성이 어떻게 전달되는지 연구할 수 있는 실험적 근거를 제공한다.

이 과정은 강입자화(hadronization)라고 불리며, 자유로운 쿼크가 관측 가능한 복합입자로 전환되는 현상을 설명하는 핵심 개념이다.

쿼크와 글루온의 상호작용은 양성자와 중성자 등 물질의 기본 구성요소를 형성하는 데 필수적이다. 그러나 쿼크가 개별적으로 관측되지 않고 복합입자 내부에 갇히는 현상인 '색가둠(color confinement)'의 구체적인 작동 원리는 여전히 중요한 연구 과제로 남아 있다.

이번 실험은 이러한 색가둠 과정에서 스핀 상관관계가 어떻게 나타나는지 측정함으로써 양자색역학의 비섭동적 영역을 이해하는 새로운 관측 수단을 제시했다.

연구 성과는 초기 우주의 물질 형성 과정을 이해하는 데도 참고가 될 수 있다. 현재의 우주론에 따르면 빅뱅 직후 극도로 높은 온도에서는 쿼크와 글루온이 플라스마 상태로 존재했으며, 우주가 냉각되면서 이들이 결합해 양성자와 중성자 등의 복합입자가 형성됐다.

따라서 쿼크의 결합 과정과 양자 진공의 구조를 규명하는 연구는 초기 우주에서 물질이 형성된 물리적 조건을 이해하는 데 기여할 수 있다.

다만 이번 관측을 완전한 무(無)에서 물질이 생성됐다는 증거로 해석하는 것은 적절하지 않다. 양자 진공은 물리적 장과 상호작용이 존재하는 상태이며, 실험에서 관측된 입자 생성에는 양성자 충돌로 공급된 에너지가 관여했다.

또한 4.4시그마의 통계적 유의성은 주목할 만한 관측 결과이지만, 입자물리학에서 일반적으로 발견을 선언할 때 사용하는 5시그마 기준에는 미치지 않는다. 따라서 추가적인 데이터 분석과 독립적인 검증이 중요하다.

이번 연구가 양자 진공의 모든 특성을 규명하거나 우주 물질의 기원을 완전히 설명한 것은 아니다. 그러나 진공의 쿼크 응축과 관련된 이론적 예측을 실제 입자의 스핀 측정을 통해 검토할 수 있다는 가능성을 보여줬다는 점에서 학술적 가치가 있다.

향후 더 많은 충돌 데이터와 정밀한 스핀 측정이 축적되면 쿼크 응축, 색가둠, 강입자화 사이의 관계를 보다 구체적으로 밝힐 수 있을 것으로 기대된다.

이번 STAR 국제공동연구팀의 성과는 양자 진공의 구조가 물질 생성 과정에 남기는 흔적을 실험적으로 추적함으로써 현대 입자물리학의 핵심 과제인 강한 상호작용과 복합입자 형성 원리를 이해하는 연구에 새로운 방향을 제시했다.