BES III, 글루볼 존재 최강 증거 확보

베이징 분광계 III(BES III) 실험의 물리학자들이 지난달 arXiv에 게재한 사전 인쇄본과 지난주 열린 고에너지 물리 국제 회의(ICHEP)에서 글루온만으로 이루어진 입자인 글루볼의 존재에 대한 가장 강력한 증거를 보고했다. 이번 발견은 X(2370) 입자에 초점을 맞추고 있으며, 이 입자는 이제 글루볼에 대한 주요 이론적 예측과 일치한다.

BES III 협력 연구진은 X(2370)의 이전에 보고되지 않은 붕괴 모드를 분석하여 이 입자가 '맛 단일항'임을 발견했다. 즉, 업, 다운, 스트레인지와 같은 특정 쿼크 맛에 묶여 있지 않다는 뜻이다. 연구팀은 이 입자가 약 90%가 글루온으로 이루어져 있다고 추정하며, 측정된 질량 2.395 GeV/C²는 격자 양자 색역학 예측과 일치하고, 스핀과 패리티도 일치한다.

글루볼은 강한 핵력을 설명하는 이론인 양자 색역학의 직접적인 예측이며, 그 존재가 확인되면 표준 모형의 오랜 공백을 메우게 된다. 양성자와 중성자의 질량 대부분은 쿼크 자체가 아니라 쿼크를 결합하는 글루온의 에너지에서 비롯되므로, 글루볼을 확인하면 물질이 어떻게 질량을 얻는지에 대한 이해가 깊어질 것이다.

X(2370) 입자는 2011년 BES III에서 처음 발견되었으며 초기 질량은 2.370 GeV/C²로 이론값보다 약간 낮았다. 2024년까지 이 실험은 100억 개 이상의 J/ψ 입자를 기록하여 더 정밀한 측정이 가능해졌다. J/ψ 붕괴를 연구하도록 설계된 전자-양전자 충돌기인 BES III는 2008년에 데이터 수집을 시작했으며 첫 해에 2억 2600만 개 이상의 사건을 기록했다.

이 연구에 참여하지 않은 카네기 멜런 대학의 입자 물리학자 콜린 모닝스타는 이 결과를 "실험적 승리"이자 "글루볼 성분이 지배하는 입자가 자연에 존재할 수 있다는 가장 강력한 증거"라고 사이언스지에 말했다. 다음 단계는 독립적인 검증으로, 중국에서 제안된 슈퍼 타우-참 시설이나 미국 브룩헤이븐 국립연구소에 건설 중인 전자-이온 충돌기에서 가능할 수 있다. 현재 BES III만이 글루온 사냥에 전념하는 유일한 장비다.