쿼크 글루온 플라즈마는 무엇인가요?

안녕하세요 과학을 사랑하는 과학자가 꿈인 약 40살 남자 Ho입니다.

오늘은 쿼크 글루온 플라즈마에 대해서 알아보겠습니다. 쿼크 정말 작은 세계를 말합니다.

이제는 인간이 거시세계 외에도 미시세계를 정복하기위한 연구를 진행하고 있습니다.

미시세계를 연구하는 이유는 태초의 우주를 밝히기 위한 빅뱅연구를 위함입니다.

빅뱅연구에 왜 쿼크가 필요한가?

그것을 알기 위해서는 쿼크 글루온 플라즈마를 알아야 한다.  

 

 

플라즈마가 고온으로 인해 전자와 원자핵이 분리된 상태라면 쿼크 글루온 플라즈마는 온도가 너무 높아 핵을 구성하는 양성자, 중성자들이 쿼크, 글루온으로 녹아내린 상태를 말한다.구체적인 특성들에 대해서는 연구가 진행중이다.CERN등 유럽에 위치한 대형 입자가속기를 통해서 계속해서 연구중이다.

 

연구가 힘든 이유는, 강력의 특성탓으로, 강력으로 묶여있는 쿼크와 글루온을 강제로 떼어내기 위해 에너지를 집중할수록, 이 강력이 더욱 강해지는 성질을 지니고 있다. 간단히 말해서 강력을 끊어지지 않는 탄성계수를 지닌 스프링처럼 생각하면 된다. 에너지를 가하면 가할수록 탄성계수로 인해 스프링에 축적되는 탄성에너지가 증가되는 것처럼, 강력으로 묶여있는 쿼크와 글루온은 에너지를 집중하여 떼어내려고 시도할수록 더욱 강한 강력으로 묶이기 때문에 연구가 더딘 편입니다.

그래서 대형 입자 가속기를 통해 빛에 속도에 가깝게 충돌을 시켜 쿼크 글루온을 연구를 진행하고 있다. 

지금 연구 방향은 "이 성질을 역으로 이용하여, 오히려 쿼크와 글루온을 강제로 압축하면 강력이 줄어들기 때문에 보다 자유롭게 연구할 수 있지 않을까?" 라는 발상을 이용하며, 주로 중원자핵을 서로 가속시켜 충돌시키는 방식으로 원자핵에 존재하는 대량의 핵자끼리의 충돌을 일으켜 일시적으로 쿼크-글루온 플라즈마 형태를 만드는 방식을 채택하고 있다.

이때 발생되는 에너지의 양은 어마어마한 양의 에너지가 관측 된다. 이때의 온도는 대략 5조도 정도의 온도가 관측 된다고 한다. 

 

5조가 넘는 에너지를 관측하기 위해서는 손가락을 담구거나 온도계를 사용할 수는 없을 것이다. 그럼 어덯게 관측을 할까?

그것은 색을 가지고 측정합니다. 우리는  먼 우주의 별을 관측 하기위해서 색지수 색의 파장을 통해서 먼 우주의 별들을 관측합니다. 그것과 유사한 방법으로 표면 온도에 따라 달라지는 색을 가지고 온도 관측이 가능합니다.

 

그렇듯 핵심은 초고온이다. 빅뱅이 일어나기 위해서는 우주가 한점에서 시작이 되어야 하는데 그런 환경이 조성되기위해서는 초고온이 필요하다는 것이 물리학자들의 추측이다. 그렇기때문에 인위적인 쿼크 글루온 플라즈마 상태를 만들어 빅뱅의 조기 상태를 연구할 수 있는것이다. 

 

참고 영상

https://youtu.be/WsgAmJ-jcDI