역대 가장 무거운 반물질 발견


우주의 기원과 진화에 실마리 제공

우주의 생성과 진화의 원리를 이해하는데 단초를 제공할 물질이 발견됐다. 엄밀히 말하자면 발견된 것은 반(反)물질이다. 이는 일반적인 물질과 전기적 성질이 정 반대인 것으로 우리가 살고 있는 우주에선 쉽게 발견되지 않는다. 물론 이전에도 실험을 통해 반물질을 발견한 사례가 있지만, 이번엔 발견 확률이 매우 희박한 다른 종류의 반물질을 찾아낸 것이기에 더욱 의미가 크다. 세계적 과학저널 ‘네이처’지 최신호에 발표된 이 반물질은 헬륨4 원자핵이다. 헬륨의 원자핵을 알파입자라고 부르기 때문에 반-알파 입자라 부르기도 하는 이것은 인류가 발견한 반물질 중 가장 무거운 것이다. 이는 약 500여명으로 이루어진 국제공동연구진에 의해 발견됐다. ‘스타(STAR) 공동 실험 그룹’이라 불리는 이 국제 연구그룹은 12개국 54개 연구기관으로 구성돼 있으며 여기엔 부산대 물리학과 유인권 교수팀도 속해 있다. 반물질 헬륨4 원자핵, 역대 가장 무거운 반물질 이 반물질은 미국 뉴욕주 롱아일랜드에 있는 ‘상대론적 중이온충돌기(RHIC)’에서 이뤄진 금핵 간의 고에너지 충돌실험에서 발견됐다. 이 실험은 지난 해 3월, 반물질 초 삼중수소 원자핵을 발견해 세간의 관심을 받았던 것과 동일한 실험이다. 충돌실험으로 쏟아져 나오는 입자는 워낙에 방대하기 때문에 이를 모두 분석하는데 많은 시간이 필요하다. 특히 검출 확률이 매우 낮은 반물질 같은 경우 더욱 그렇다. 실제로 금핵-금핵 충돌실험이 약 10억 번 이뤄진 가운데 검출된 하전입자는 약 5천억 개에 이르며 이 중 반물질 헬륨 원자핵으로 식별된 것은 18개에 불과한 것으로 알려졌다. 하지만 새로이 발견된 반물질 치고는 매우 많은 양이다. 또한 이번에 발견된 반물질 헬륨4 원자핵은 물질과 만나 소멸되기 전, 그리고 방사성 붕괴가 없는 안정적인 상태로 검출됐다. 더욱 주목할 점은 이보다 더 무거운 반물질이 발견될 확률이 이번 발견 대비 100만분의 1이하로 매우 희박하다는 것. 즉, 반물질 검출 방법에 특별한 변화가 이뤄지지 않는 이상 반물질 헬륨4 원자핵은 계속해서 가장 무거운 반물질로 남을 것이라고 과학자들은 예상하고 있다. 우주에 보다 광범위한 반물질 존재 가능 역대 가장 무거운 반물질이라고는 하지만 그래봐야 눈에 보이지도 않고 그 질량을 느낄 수조차 없는 것임에도 학계가 주목하는 이유는 무엇일까. 물질로 이뤄진 이 세계에서 안정된 반물질의 발견은 특별하다. 우선 우리가 살고 있는 우주에서 반물질을 찾아내기는 여간 어려운 일이 아니다. 물질로 이루어진 우리 우주에서 설사 반물질이 존재한다 하더라도 금세 물질과의 쌍소멸을 일으킬 것이기 때문이다. 실제 우주에서 관측되는 것은 간단한 형태의 반입자정도다. 전자와 양성자가 물질을 이루듯 반물질을 이룰 수 있는 양전자나 반양성자를 말한다. 하지만 이들이 우주가 생성될 때 만들어졌다고 보지는 않는다. 우주공간에서 발생되는 고에너지원에서 쌍생성된 것들이라 예상할 뿐이다. 그렇다고 반물질의 존재를 확인하지 못한 것은 아니다. 2002년, 유럽입자물리연구소(CERN)에서 거대강입자가속기(LHC)를 이용해 최초로 반수소를 만들어낸 바가 있다. 물론 금세 소멸해버리고 말았지만 반물질이 존재할 수 있다는 사실을 확인케 한 중요한 실험이었다. 하지만 헬륨 원자핵의 경우는 수소에 비해 반물질을 얻어내기가 더욱 어렵다. 수소는 양성자와 전자가 결합한 가장 기본적인 형태의 원소지만 헬륨은 그렇지 않다. 2개의 반양성자와 2개의 반중성자가 결합해야 반물질 헬륨의 원자핵을 구성할 수 있으며 이보다 더욱 기본적인 구성인 쿼크로 따지면 더욱 조합이 복잡해진다. 하지만 우주 생성 초기를 재현한 실험에서 이 반물질 헬륨 원자핵이 발견됐다는 것은 반물질이 우주에 보다 광범위하게 존재할 수 있다는 것을 말한다. 이는 또한 반물질로 만들어진 우주가 있다는 상상에 좀 더 가능성을 더해줄 수 있는 발견이기도 하다. 반물질로 구성된 우주 존재할까?

▲ 반물질로만 구성된 우주가 존재할지도 모른다.  ⓒNASA 물질과 반물질이 만나면 고에너지를 내며 소멸하는 것을 역으로 생각해 본다면 고에너지의 충돌은 여러가지 물질과 반물질을 만들어 낼 수도 있다.

이 원리를 이용하는 실험이 바로 입자 충돌실험이다. 물질의 근원과 우주의 기원을 밝히는 이 실험은 계속 진행되고 있다. 힉스입자를 찾아내려는 유럽입자물리연구소의 거대강입자충돌기(LHC)나 얼마 전 새로운 현상발견으로 이슈가 된 미국 페르미 연구소의 테바트론 등이 바로 이런 실험을 하고 있는 것이다.

고에너지의 충돌과 함께 뿜어져 나오는 여러 입자들은 우주의 기원이라 생각되는 빅뱅과 같은 모습이다. 빅뱅 당시에도 고에너지의 결정체가 폭발을 일으키며 그로부터 현재의 우주를 구성하는 모든 물질들이 발생했다고 예측된다.

하지만 수상한 점이 있다. 입자충돌실험에서 고에너지의 입자 충돌은 물질과 반물질을 동일한 양으로 발생시킨다. 실험에선 물질과 반물질이 생성된 후, 곧바로 그들끼리 부딪혀 쌍소멸하고 만다. ‘빅뱅’실험 이라지만 실제 우주가 만들어지지 않는 이유도 여기 있다.

실제 빅뱅 당시에도 물질과 반물질이 동일한 비율로 생성됐을 것이라 보는 것이 정상이지만 우주에선 그만한 반물질이 발견되지 않는다. 물론 우주를 구성하는 물질들이 반물질과 만나 소멸되지 않았기 때문에 지금의 우주가 존재하고 우리도 존재할 수 있는 것이지만 빅뱅 당시 함께 생성됐을 반물질들의 자취에 대해서는 의문이 많다. 이는 현대 물리학의 풀리지 않는 미스터리이기도 하다.

혹자들은 물질로 이뤄진 우리 우주가 있듯, 빅뱅 당시 생성된 반물질로만 이루어진 또 다른 반(反)우주가 있다고 상상하기도 한다. 빅뱅과 함께 원인모를 계기로 물질과 반물질이 분리돼 각기 다른 우주를 형성했다고 설명하는 것이다.

우주의 기원 규명하고 미래 에너지원이 될지도 모를 반물질

▲ 반물질 폭탄이 현실이 될 수 있을까  ⓒ영화 '천사와 악마' 반물질은 저명한 영국 물리학자 폴 디랙에 의해 존재 가능성이 제기됐다. 디랙은 미시세계를 설명하는 양자역학에 아인슈타인의 상대성원리를 결합해 디랙 방정식을 고안했다.

이 방정식은 2개의 해를 갖는데 그 중 하나는 우리가 살고 있는 우주를 이루는 물질에 대한 것이며 다른 하나는 바로 그 반대인 반물질을 말한다는 것이다. 이후 실험을 통해서도 그 존재는 검증됐지만 여전히 반물질의 행적은 묘연하다.

반물질은 소설과 영화의 소재로 사용돼 많은 사람들에게 알려진 바도 있다. 댄 브라운의 소설 ‘천사와 악마’에서는 반물질 폭탄이 등장한다. 일반적으로는 바로 소멸돼 버리는 반물질을 특수한 방법을 사용해 가둬놓은 것. 영화로도 제작된 이 이야기에 등장하는 반물질 정도라면 실제 엄청난 규모의 에너지를 발생시킬 수 있다. 

폭탄이 아니더라도 반물질은 질량을 모두 에너지로 전환하며 100%의 효율을 가지는 에너지원으로 사용될 수 있을 것이라 상상하기도 한다. 하지만 현재의 기술로는 그만큼의 반물질을 안정적으로 모으는 것이 불가능하다.

또한 현재의 반물질에 대한 연구 목적이 폭탄이나 에너지원으로써의 사용에 있는 것도 아니다. 우선은 반물질을 통해 우주의 기원과 진화를 설명하려 하는 것이 첫번째 목표다. 이번 새로운 반물질 발견과 같은 연구들은 우주 생성 시 존재했던 반물질이 왜 사라졌는지에 대한 단서를 제공할 수 있다.

물론 연구가 진척되고 관련 기술이 발전해 반물질을 실제 에너지원으로 사용할 수 있게 할지도 모르는 일이다.

한편, 힉스입자와 암흑물질 등을 규명할 수 있을 것으로 기대되는 LHC에선 이번 반물질 헬륨을 발견한 실험에 비해 수십 배나 높은 에너지로 충돌실험을 진행 중이기 때문에 또 다른 반물질 발견이나 반물질 현상 규명 등에 대한 기대도 더해지고 있다.

조재형 객원기자 | alphard15@nate.com 저작권자 2011.04.27 ⓒ ScienceTimes

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