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글쓴이 : 해준송효
날짜 : 25-08-16
조회 : 20
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빅뱅 직후 우주는 왜 소멸하지 않고 물질만 남게 됐을까. 유럽입자물리연구소(CERN)의 LHCb(대형 강입자 충돌기 바닥 쿼크) 실험에서 이 오래된 수수께끼에 한 걸음 다가서는 결과가 나왔다. 국제공동연구진은 '람다b 바리온(Λ0b)'이라는 입자의 붕괴 과정을 정밀하게 추적한 끝에 이 입자가 완전히 대칭적으로 행동하지 않는다는 사실을 확인했다. 물질과 반물질이 근본적으로 같지 않다는 '비대칭성'이 바리온 계열 입자에서 실험적으로 처음 확인된 것이다. 이 미세한 차이는 초기 우알라딘예시
주에서 어떻게 물질이 살아남았는지를 설명할 단서로 주목받고 있다.
우주는 약 138억 년 전 빅뱅이라는 급격한 팽창을 통해 탄생했다. 이 과정에서 물질과 반물질이 같은 양으로 생성됐다. 반물질은 물질과 물리적 특징이 동일하나 성질은 반대다. 예를 들어 음전하(―)를 띤 '전자'의 반물질은 '양전자'로 양전하(+)를 띤다주식초보자
. 이론적으로 이들은 서로 만나면 에너지만 남긴 채 사라지는 '쌍소멸'을 일으킨다. 그렇다면 빅뱅 이후 우주는 텅 비어야 한다. 하지만 오늘날 별과 행성, 생명체와 사물이 우주에 존재한다는 사실은 초기 우주에서 물질 쪽으로 균형이 기울었음을 암시한다.
물질이 반물질보다 더 자주 붕괴이 비대칭의 실마리를 찾고자 24개국릴게임골드몽
1800명 넘는 과학자가 협력해 LHCb 실험을 수행했다. 연구진은 CERN이 운영하는 프랑스-스위스 국경 지하의 대형 강입자 충돌기(LHC)에서 양성자를 빛에 가까운 속도로 가속해 정면 충돌시켰다. 빅뱅 직후와 유사한 극한 조건을 구현한 것이다.
그러고 나서 'LHCb 검출기'를 사용해 충돌 과정에서 생성된 물질과 해외증권시장
반물질 입자들을 추적했다. LHCb 검출기는 길이 21m, 무게 6000t에 이르는 거대 장비로, 마치 4차원 카메라처럼 입자의 운동과 붕괴를 정밀하게 기록한다. 연구진은 바리온 계열 입자인 람다b 바리온과 그 반입자의 8만 건 넘는 붕괴를 분석한 결과 붕괴 확률 분포에서 물질과 반물질 간에 평균 2.45% 비대칭성이 나타났다. 이는 입자물리학계에서 실험적스탁프린스
'발견'으로 인정받는 5시그마 수준의 통계적 수치로, 물리법칙의 대칭성이 깨졌다는 신호로 간주할 수 있다.
연구진이 포착한 비대칭은 'CP 위반'으로 해석된다. CP 위반이란 물질과 반물질의 대칭성이 미세하게 깨지는 현상을 가리킨다. C는 전하(charge), P는 좌우대칭(parity)을 의미하는데, 물질과 반물질이 거울에 비친 것처럼 동일하게 행동하지 않을 때 이를 CP 위반이라고 부른다. 이 현상은 1960년대 메손 계열 입자에서 처음 관측됐다. 이후 일본 벨(Belle) 실험과 미국 바바(BaBar) 실험 등에서도 반복적으로 확인됐다. 그러나 메손은 수명이 짧고 우주의 주요 구성 입자가 아니라는 한계가 있다.?
이에 과학자들은 우리 세계의 주요 입자 중 하나인 바리온에서도 같은 현상이 나타나는지를 오랫동안 추적해왔다. 바리온은 3개 쿼크로 구성된 더 무거운 입자, 즉 중입자로, 양성자와 중성자처럼 우리가 속한 물질세계를 이루는 기본 단위다. 이번 람다b 바리온 실험은 그간 메손에 국한된 CP 위반 연구를 바리온 영역으로 확장한 첫 사례다. 이 연구 결과는 7월 국제 학술지 '네이처(Nature)'에 게재되며 우주에 왜 물질만 남았는지를 설명하는 데 새로운 실마리를 제공할 것으로 기대를 모으고 있다.?
유럽입자물리연구소(CERN)의? LHCb?검출기에 사용되는?곡선형 대형 자석. 전하를?띤 입자의 궤적을 휘게?만들어 물질-반물질 간?대칭성 붕괴(CP 위반)?같은 현상을 정밀하게?분석하는 데 쓰인다. CERN 제공
암흑물질 기원도 밝혀지나이번 LHCb 실험에서 과학자들이 주목한 또 하나의 입자는 뮤온이다. 뮤온은 전자의 사촌 격인 입자로, 전자처럼 전하를 띠지만 질량이 약 200배 무겁고 수명은 짧다. 질량이 큰 뮤온은 궤적이 직선적이고 뚜렷하게 남아 복잡한 입자 충돌 속에서도 식별이 쉬운 편이다. 이번 실험에서도 람다b 바리온이 붕괴하면서 생성된 뮤온의 궤적을 추적함으로써 물질과 반물질 사이의 미세한 차이를 밝혀낼 수 있었다.?
일부 이론가는 이번 발견이 '공생 생성(co-genesis)'이라는 가설을 뒷받침할 수 있다고 본다. 이 가설은 아주 오래전 빅뱅 직후 물질과 반물질이 갈라져 나올 때 암흑물질도 함께 생성됐을 수 있다는 가능성을 담고 있다. 물질과 함께 암흑물질도 같은 시점에 생성된 것이라면 이는 암흑물질의 기원을 밝히는 데 중요한 단서가 될 수 있다.
다만 이번에 관측된 CP 위반의 규모는 여전히 표준모형이 예측하는 범위에 머물고 있다. 이 범위에서는 물질-반물질 비대칭의 원인을 충분히 설명하기 어렵기 때문에 물리학계는 표준모형을 넘어서는 새로운 이론을 모색 중이다. 이에 뮤온, 중성미자 등 렙톤(전자처럼 전하를 갖지만 강한 상호작용은 하지 않는 입자) 계열에 대한 탐색을 확대해가고 있다.?
그중에서도 중성미자가 핵심 후보로 떠오르고 있다. 중성미자는 전하가 없고 질량도 0에 가깝다. 그럼에도 서로 다른 3가지 종류(전자형, 뮤온형, 타우형)로 변환되는 '진동' 현상을 일으키며 CP 대칭을 깨뜨릴 가능성이 있다. 일본 T2K, 미국 NOνA, DUNE 등 대형 국제 공동 실험이 이를 정밀하게 검증하고 있으며, 향후 가동될 하이퍼카미오칸데(Hyper-Kamiokande)도 같은 목표에 합류할 예정이다. 만약 중성미자에서도 비대칭성이 확인된다면 물질과 암흑물질의 기원을 동시에 설명하는 물리학의 새로운 문이 열릴 수 있다.
이번 실험을 이끈 이탈리아 국립핵물리연구소 입자물리학자 빈첸초 바뇨니는 CERN 보도자료에서 "바리온처럼 질량이 큰 입자의 붕괴에서 CP 위반 현상을 처음으로 관측한 이번 실험은 대칭성 붕괴가 어떤 조건에서 어떻게 나타나는지를 더욱 깊게 탐구할 수 있는 이론적·실험적 연구의 길을 열었다"며 "CP 위반의 관측 사례가 늘어나고 정밀도가 높아지면서 표준모형 너머의 새로운 물리를 모색할 기회도 더 많아질 것"이라고 말했다.?
이종림 과학전문기자
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