쿼크-글루온 플라스마

쿼크-글루온 플라스마(quark–gluon plasma, QGP 또는 쿼크 수프; quark soup)는 열적(국소 운동) 및 (거의) 화학적(풍부도) 평형 상태에 있는 쿼크와 글루온의 상호작용하는 국소화된 집합체이다. 플라스마라는 단어는 자유 색전하가 허용됨을 나타낸다. 1987년 요약에서 레옹 반 호브는 쿼크 글루온 플라스마, 쿼크 물질, 그리고 새로운 물질 상태라는 세 용어의 동등성을 지적했다.^[2] 온도가 하게도른 온도보다 높고 - 따라서 가벼운 u,d-쿼크 질량 척도보다 높기 때문에 - 압력은 온도의 4제곱(${\displaystyle T^{4}}$)과 실질적으로 무질량인 많은 쿼크 및 글루온 구성 요소에 의해 지배되는 상대론적 슈테판-볼츠만 형식을 나타낸다. QGP는 거의 자유로운 역학과 실질적으로 무질량인 글루온 및 쿼크의 관점에서 물리적 특성을 나타내는 강하게 상호작용하는 물질의 새로운 상으로 등장한다고 할 수 있다. 새로운 물질 상태가 QGP로 불리기 위해서는 쿼크와 글루온 모두 화학적(산출) 평형에 가까운 조건에서 존재해야 하며, 그들의 색전하가 열려 있어야 한다.

QCD 상도. R.S. Bhalerao가 만든 원본을 각색하였다.^[1]

빅뱅 이론에서, 쿼크-글루온 플라스마는 우리가 알고 있는 물질이 생성되기 전에 우주 전체를 채웠다. 쿼크-글루온 플라스마의 존재를 예측하는 이론들은 1970년대 후반과 1980년대 초반에 개발되었다.^[3] 중이온 실험에 관한 논의가 뒤따랐고,^{[4][5][6][7][8]} 첫 실험 제안은 이후 몇 년 동안 CERN과^{[9][10][11][12][13][14]} BNL에서 제시되었다.^[15][16] 쿼크-글루온 플라스마는^[17][18] 2000년 CERN 연구소에서 처음으로 실험실에서 검출되었다.^[19][20][21]

QGP 발견 전 CERN-SPS 상대론적 중이온 프로그램의 타임라인^[19]

개괄

쿼크-글루온 플라스마는 극도로 높은 에너지 밀도 하에서 바리온 물질의 하드론을 구성하는 기본 입자들이 서로 간의 강한 인력으로부터 자유로워진 물질의 상태이다.^[22] 이 입자들은 바리온 물질을 구성하는 쿼크와 글루온이다.^[23] 일반 물질에서 쿼크는 속박되어 있으나, QGP에서 쿼크는 비속박 상태이다. 고전적 양자 색역학(QCD)에서, 쿼크는 하드론(중간자와 바리온)의 페르미온 성분인 반면, 글루온은 그러한 입자들의 보손 성분으로 간주된다. 글루온은 QCD 색력의 힘 전달자, 즉 보존이며, 쿼크 자체는 그들의 페르미온 물질 대응체이다.

쿼크-글루온 플라스마는 빅뱅 후 약 20μs에 기본 자유도(쿼크, 글루온)로부터 물질이 형성되었을 때 우주에 존재했던 고에너지 밀도 조건을 재현하고 이해하기 위해 연구된다. 실험 그룹들은 '넓은' 거리에 걸쳐 물질의 지배적 형태와 자연 법칙을 결정하는 (비)속박 양자 진공 구조를 탐색하고 있다. 이 실험들은 물질과 질량의 기원에 대한 통찰을 제공한다: 물질과 반물질은 쿼크-글루온 플라스마가 '하드론화'될 때 생성되며, 물질의 질량은 속박 진공 구조에서 기원한다.^[19]