심층 비탄성 산란

입자물리학에서 심층 비탄성 산란()은 전자, 뮤온, 중성미자를 사용하여 하드론(특히 양성자와 중성자 같은 중입자) 내부를 탐색하는 데 사용되는 과정의 이름이다. 이 방법은 1960년대와 1970년대에 처음 시도되었으며, 당시에는 많은 이들이 순전히 수학적인 현상으로 간주했던 쿼크의 실재에 대한 첫 번째 설득력 있는 증거를 제공했다. 이는 러더퍼드 산란을 훨씬 더 높은 에너지의 산란 입자와 그에 따라 훨씬 더 미세한 원자핵 구성 요소의 해상도로 확장한 것이다.

헨리 웨이 켄들, 제롬 아이작 프리드먼 그리고 리처드 E. 테일러는 "양성자 및 구속된 중성자에 대한 전자의 심층 비탄성 산란에 대한 선구적인 연구로, 입자 물리학의 쿼크 모델 개발에 본질적으로 중요했다"는 공로로 1990년 노벨상을 공동 수상했다.

 설명 
용어의 각 부분을 설명하자면, "산란"은 렙톤(전자, 뮤온 등)이 하드론에서 벗어나는 것을 의미한다. 굴절 각도를 측정하면 과정의 본질에 대한 정보를 얻을 수 있다. "비탄성"은 목표물이 일부 운동 에너지를 흡수한다는 것을 의미한다. 사실, 사용된 렙톤의 매우 높은 에너지에서는 목표물이 "산산조각" 나면서 많은 새로운 입자를 방출한다. 이 입자들은 하드론이며, 극도로 단순화하자면, 이 과정은 목표물의 구성 쿼크가 목표 하드론에서 "튕겨져 나가는" 것으로 해석되며, 쿼크 갇힘으로 인해 쿼크는 실제로 관찰되지 않고 대신 강입자화에 의해 관찰 가능한 입자를 생성한다. "심층"은 렙톤의 높은 에너지를 나타내며, 이는 매우 짧은 파장을 제공하여 목표 하드론의 크기에 비해 작은 거리를 탐색할 수 있는 능력을 부여하므로 하드론 "깊숙이" 탐색할 수 있다. 또한, 섭동 근사에서 이는 렙톤에서 방출되어 목표 하드론에 흡수되어 구성 쿼크 중 하나에 에너지를 전달하는 고에너지 가상 광자이다. 이는 옆 그림과 같다.

포브와 로지나는 핵자의 쿼크 하부 구조가 알려지지 않았을 때 "핵자에 대한 심층 비탄성 산란"이라는 용어가 만들어졌다고 지적했다. 그들은 "준탄성 렙톤-쿼크 산란"이라는 용어를 선호한다.

 역사 

물리학의 표준 모형, 특히 1960년대 머리 겔만의 연구는 이전에 입자물리학에서 분리되어 있던 많은 개념들을 비교적 간단한 하나의 체계로 통합하는 데 성공했다. 본질적으로 세 가지 유형의 입자가 있었다.

 렙톤은 전자, 중성미자 및 그 반입자와 같은 낮은 질량의 입자였다. 그들은 정수 전하를 가지고 있다.
 게이지 보손은 힘을 교환하는 입자였다. 이들은 질량이 없고 쉽게 감지되는 광자(전자기력을 전달하는 운반자)부터 이국적인(그러나 여전히 질량이 없는) 강한 핵력을 전달하는 글루온에 이르기까지 다양했다.
 쿼크는 부분 전하를 가진 거대한 입자였다. 그들은 하드론의 "구성 요소"이다. 그들은 또한 강한 상호작용에 의해 영향을 받는 유일한 입자이다.

렙톤은 1897년 조지프 존 톰슨이 전류가 전자의 흐름임을 보여주면서부터 감지되었다. 일부 보손은 일상적으로 감지되고 있었지만, 약전자기력의 W+, W−, Z0 입자는 1980년대 초에만 명확하게 확인되었고, 글루온은 거의 같은 시기에 함부르크의 DESY에서 확실히 밝혀졌다. 그러나 쿼크는 여전히 파악하기 어려웠다.

러더퍼드의 20세기 초 획기적인 실험에 기반하여 쿼크를 감지하기 위한 아이디어들이 구상되었다. 러더퍼드는 알파 입자를 금 원자에 발사하여 원자 중심에 작고, 무거우며, 전하를 띤 핵이 있음을 증명했다. 대부분은 거의 또는 전혀 편향되지 않고 통과했지만, 일부는 큰 각도로 편향되거나 완전히 되돌아왔다. 이는 원자가 내부 구조와 많은 빈 공간을 가지고 있음을 시사했다.

중입자 내부를 탐색하기 위해서는 작고, 관통력이 있으며, 쉽게 생성되는 입자를 사용해야 했다. 전자는 풍부하고 전기 전하로 인해 고에너지로 쉽게 가속될 수 있으므로 이 역할에 이상적이었다. 1968년 스탠퍼드 선형 가속기 센터(SLAC)에서 전자들이 원자핵의 양성자와 중성자에 발사되었다. 나중에 뮤온과 중성미자로 추가 실험이 수행되었지만, 동일한 원리가 적용된다.

충돌은 일부 운동 에너지를 흡수하므로 비탄성이다. 이는 운동 에너지 손실이 없는 탄성인 러더퍼드 산란과는 대조적이다. 전자는 핵에서 튀어나오고, 그 궤적과 속도를 감지할 수 있다. 결과 분석을 통해 하드론이 실제로 내부 구조를 가지고 있다는 결론에 도달했다. 이 실험은 쿼크의 물리적 실재를 확인했을 뿐만 아니라 표준 모형이 입자 물리학자들이 추구해야 할 올바른 연구 방향임을 다시 한번 증명했기 때문에 중요했다.

 같이 보기 
 반포괄적 심층 비탄성 산란

 각주 

 추가 문헌 



분류:산란
분류:실험입자물리학
분류:1960년대 과학