RHIC STAR 실험, Y자형 글루온 접합부가 바리온수 보존의 핵심 담체 시사

연구 배경: 바리온수 담체 논쟁의 역사

바리온수는 양성자·중성자 같은 입자의 양자 정체성을 규정하는 양자수로, 그 보존 법칙은 우주 내 물질 안정성의 근거 중 하나다. 수십 년간 주류 해석은 양성자 내 세 원자가 쿼크가 각각 +1/3의 바리온수를 균등하게 나눠 갖는다는 것이었다. 전기 전하의 분배 방식과 유사한 이 모델은 양자색역학(QCD) 기반 교재에 표준적으로 기술돼 있다.

Y자형 글루온 접합부(baryon junction) 개념은 1970년대에 이론적으로 등장했다. 1996년 스토니브룩대학교·브룩헤이븐 연구소 소속 이론물리학자 드미트리 카르제프(Dmitri Kharzeev)는 이 구조가 바리온수의 실질 담체일 수 있다고 제안했으며, RHIC 가동(2000년)보다 4년 앞선 예측이었다.

실험 전략: 전기 전하와 바리온 수의 비교

STAR 팀은 원자가 쿼크가 바리온수뿐 아니라 전기 전하도 함께 운반한다는 사실을 검증 도구로 활용했다. 빔 방향에 수직으로 방출되는 전기 전하량을 측정하면, 충돌 중 실제로 정지·변환된 쿼크의 수를 정량화할 수 있다.

서로 다른 종류의 핵 충돌 데이터를 분석한 결과, 수직 방향으로 검출된 바리온 수는 전기 전하 측정값에서 예측되는 값의 약 두 배에 달했다. QCD 모델에 따르면, 관측된 초과 바리온을 생성할 만큼 충분한 쿼크가 멈추지 않았다는 뜻이다. 이 초과분의 출처로 STAR 팀은 글루온 접합부를 지목했다.

물리적 메커니즘: 느린 접합부, 빠른 쿼크

고에너지로 가속된 양성자 내부에서는 글루온이 분열·증식하면서 각 글루온이 양성자 전체 운동량에서 차지하는 비중이 감소한다. 반면 원자가 쿼크는 전진 운동량의 대부분을 유지한다. 충돌 순간, 상대적으로 느린 Y자형 글루온 접합부는 세 개의 쿼크보다 훨씬 쉽게 멈출 수 있다.

접합부가 정지하면 쿼크들은 계속 빔 방향으로 진행한다. Y자형 접합부는 진공에서 새 쿼크 세 개를 끌어당겨 새로운 바리온을 형성한다. 세 객체(쿼크)를 개별적으로 멈추는 것보다 단일 구조물(접합부)을 정지시키는 방식이 상호작용 확률이 더 높다는 이론적 예측과도 일치한다.

우주론적 함의: 물질 안정성과 물질-반물질 비대칭

바리온수 보존은 빅뱅 이후 우주 전체 양성자·중성자의 총수가 시간과 무관하게 유지된다는 원칙과 직결된다. 이 보존 법칙이 성립하기 때문에 양성자가 붕괴하지 않고 안정적으로 존재할 수 있으며, 결과적으로 원자핵과 물질 자체가 존재 가능하다. 또한 이 문제는 우주에 반물질보다 물질이 더 많은 이유라는 미해결 난제와도 연결돼 있다.

STAR 팀은 충돌에서 생성되는 입자 수가 많을수록 빔 수직 방향('중간 라피디티')의 바리온 초과 현상이 더 두드러짐도 확인했으며, 이는 글루온 접합부 모델과 정성적으로 부합한다.

연구의 한계와 향후 과제

이번 연구는 2000년부터 2026년 초까지 운영된 RHIC 데이터를 근거로 하며, 글루온 접합부가 바리온수의 유일한 담체임을 확정적으로 증명한 것은 아니다. QCD 기반 모델들이 관측을 완전히 설명하려면 추가 가정이 여전히 필요하다. 전자-이온 충돌기(EIC) 등 차세대 실험 시설에서의 후속 연구가 이 가설을 더 직접적으로 검증할 수 있을 것으로 전망된다.