물리학자들은 빅뱅의 원시 플라스마에서 수조 도의 열을 포착했습니다.

물리학자들은 빅뱅 이후 마이크로초 단위로 우주를 가득 채운 뜨거운 원시 물질인 쿼크-글루온 플라즈마의 온도 변화를 직접 측정함으로써 획기적인 성과를 달성했습니다. 출처: Shutterstock

라이스 대학교 물리학자 프랭크 기르츠가 이끄는 연구팀은 쿼크-글루온 플라즈마(QGP)의 진화 단계별 온도를 측정하여 입자 물리학의 중요한 이정표를 세웠습니다. 이 플라즈마는 우주의 기원과 팽창을 나타내는 빅뱅 이후 단 100만분의 1초 만에 우주를 가득 채운 것으로 여겨지는 물질입니다. 10월 14일 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 에 발표된 이 연구 결과는 초기 우주를 형성했던 극한의 조건들을 엿볼 수 있는 귀중한 자료입니다.

초기 우주의 열 추적

어떤 장비도 물리적으로 견딜 수 없는 환경에서 온도를 측정하는 것은 오랫동안 과학자들에게 난제였습니다. 연구팀은 뉴욕 브룩헤이븐 국립연구소의 상대론적 중이온 충돌기(RHIC)에서 원자핵의 고속 충돌 시 방출되는 열전자-양전자 쌍을 연구함으로써 이 문제를 극복했습니다. 이러한 방출은 플라즈마가 형성되고 냉각될 때 얼마나 뜨거워졌는지 재구성하는 방법을 제공했습니다.

이전의 온도 추정치는 불확실했으며, 도플러와 같은 변화를 일으키는 플라스마 내부의 움직임이나 판독값이 플라스마 자체를 반영하는지 아니면 붕괴의 후기 단계를 반영하는지에 대한 혼란으로 인해 종종 왜곡되었습니다.

"저희 측정 결과는 QGP의 열적 지문을 밝혀냅니다."라고 RHIC STAR 협력 연구의 공동 대변인이자 물리학 및 천문학 교수인 게르츠는 말했습니다. "딜렙톤 방출을 추적함으로써 플라즈마의 온도와 냉각 시작 시점을 파악할 수 있었으며, 우주 생성 직후의 상태를 직접적으로 볼 수 있게 되었습니다."

새로운 열 창 열기

쿼크-글루온 플라즈마는 양성자와 중성자의 기본 구성 요소인 쿼크와 글루온이 입자 내부에 갇혀 있지 않고 자유롭게 존재하는 독특한 물질 상태입니다. 그 거동은 거의 전적으로 온도에 달려 있습니다. 지금까지 과학자들은 결과를 왜곡하지 않고 이 뜨겁고 빠르게 팽창하는 시스템을 들여다볼 도구가 없었습니다. QGP가 수조 켈빈의 온도에 도달함에 따라, 간섭 없이 관찰할 수 있는 "온도계"를 찾는 것이 과제였습니다.

"QGP의 수명 동안 생성되는 열 렙톤 쌍, 즉 전자-양전자 방출이 이상적인 후보로 떠올랐습니다."라고 Geurts는 말했습니다. "플라즈마와 상호작용할 수 있는 쿼크와 ​​달리, 이 렙톤들은 플라즈마를 거의 손상 없이 통과하며, 주변 환경에 대한 왜곡되지 않은 정보를 전달합니다."

수많은 다른 입자들 사이에서 이렇게 덧없이 사라지는 쌍을 감지하려면 극도로 민감한 장비와 꼼꼼한 교정이 필요했습니다.

RHIC의 실험적 혁신

이를 위해 연구팀은 RHIC 검출기를 개량하여 저운동량 렙톤 쌍을 분리하고 배경 잡음을 줄였습니다. 또한, 이러한 쌍의 에너지 분포가 플라즈마의 온도를 직접적으로 나타낼 수 있다는 아이디어를 시험했습니다. 침투 온도계로 알려진 이 접근법은 QGP의 전체 수명에 걸친 방출을 통합하여 평균 열 프로파일을 생성합니다.

실제 열 신호와 관련 없는 프로세스를 구별하는 데 어려움이 있었음에도 불구하고, 연구진은 매우 정밀한 측정값을 얻었습니다.

뚜렷한 온도 단계가 밝혀졌습니다

결과는 방출된 유전쌍의 질량에 따라 두 가지 명확한 온도 범위를 보여주었습니다. 저질량 영역에서 평균 온도는 약 2.01조 켈빈에 도달했는데, 이는 이론적 예측과 플라즈마가 일반 물질로 전이될 때 관찰되는 온도와 일치합니다. 고질량 영역에서 평균 온도는 약 3.25조 켈빈으로, 플라즈마의 초기, 더 뜨거운 상태를 나타냅니다.

이러한 대조는 질량이 작은 유전체가 플라스마 진화의 후반부에서 생성되는 반면 질량이 큰 유전체는 초기의 에너지가 더 높은 단계에서 생성된다는 것을 보여줍니다.

Geurts는 "이 연구는 진화의 두 가지 뚜렷한 단계에서의 평균 QGP 온도와 다중 중입자 화학 퍼텐셜을 보고하며, QGP의 열역학적 특성을 매핑하는 데 있어 상당한 진전을 나타냅니다."라고 말했습니다.

극한 조건에서 물질 매핑

과학자들은 QGP의 진화 과정에서 여러 지점의 온도를 정확하게 측정함으로써 "QCD 상태도"를 완성하는 데 필요한 중요한 실험 데이터를 얻습니다. 이는 기본 물질이 엄청난 열과 밀도 하에서 어떻게 행동하는지를 파악하는 데 필수적이며, 이는 빅뱅 직후의 순간과 중성자별과 같은 우주 현상에서 나타나는 조건과 유사합니다.

"이 열 지도를 통해 연구자들은 이제 QGP의 수명과 그 수송 특성에 대한 이해를 더욱 심화시켜 초기 우주에 대한 이해를 높일 수 있습니다."라고 Geurts는 말했습니다. "이 발전은 단순한 측정 이상의 의미를 지닙니다. 물질의 가장 극한적인 영역을 탐구하는 새로운 시대를 예고하는 것입니다."

이 연구에는 라이스대 전 박사후연구원 자오첸 예(현 남중국사범대학교), 라이스대 동문 이딩 한(현 베일러 의과대학), 그리고 현재 라이스대 대학원생 천량 진이 참여했습니다. 이 연구는 미국 에너지부 과학국(Office of Science)의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251029002907.htm