법칙들의 대담하게 구성된 물질의 우주 초대칭 알아보자

초대칭이 정확하다면 과학자들은 우주 탄생 직후의 시기를 분석할 수 있게 된다. 저 불의 폭발이 있고 아주 짧은 첫 수간을 보는 것이다. 이 경우 물질의 수수께끼가 완전히 해결될 것이며, 우주론자들은 우주에 있는 물질의 세세한 부분까지 이해하게 될 것이다. 그림자 속에 들어있는 이들 대응 입자들이 검출되지 않는다면 초대칭 이론은 단순한 수학적 장난감이 되고 만다. 프톨레마이오스 우주처럼 그것도 우주의 작동을 설명하는 듯이 보이지만 정확하게 현실을 반영하지는 못했다.

중성미자보다 더 이상한 것이 있다. 거의 질량이 없는 이들 입장들보다 찾아내기 어려운 어떤 것이다. 어쨌든 물리학자들은 그렇게 생각한다. 아니면 그들은 처음부터 다시 시작해야 할 것이다. 모든 입자는 아직 발견되지 않은 짝 입자인 초대칭짝을 갖는다는 것이다. 이것은 우리가 아는 입자들과는 대단히 다른 특성을 지닌다. 그들이 옳다면 물질과 그것이 상호작용에 의해 나타나는 모든 특성을 서술하고 있는 표준모형은 극적으로 변할 것이다. 물리학자들은 영화 [스타 트렉]의 줄거리에서 나온 것 같은 물질 이론을 만들어 냈다. 과학자들은 빅뱅 시대 우주의 상태를 알려주는 혁명적인 이론을 확인하고, 우주에 있는 모든 별난 물질이 감추어진 장소를 알아낼 것이다.  이 이론이 표준모형을 대체하고 또 입자 동물원의 크기를 두배로 늘리는 것이지만 과학자들은 점점 더 이 초대칭 이론에 주목하고 있다. 이것이 옳다면 아직 발견되지 않은 대응 입자들이 아마도 별난 암흑물질의 원천이 될 것이다. 우주 물질의 대부분은 차지하는 중입자 아닌 재료 말이다. 하지만 초대칭에는 또 다른 특성이 있다. 이것은 물질의 본성 자체를 설명하지 않는다. 그것은 표준모형을 우주가 더 뜨겁게 밀집되어 있던 시간까지로 확대해 준다. 빅뱅 직후의 시간, 쿼크 글루온 플라즈마 시대 이전의 시기 알려진 물리법칙이 적용되지 않는 시간으로 확대한다.  과학자들은 최초의 초대칭 입자를 찾아내서 이 이론을 확인하든지 아니면 발견에 실패하여 이 이론을 포기하게 될 것이다. 이미 작업을 시작한 입자 가속기는 초대칭 입자를 감추어진 곳에서 새 나오도록 만들 가능성이 있고, 지금 건설 중인 두 번째 입자 가속기는 입자 하나를 찾아낼 가능성이 아주 높다. 초대칭 이론이 옳다면 말이다. 

대칭은 대상의 기초구조를 알아내는 데 아주 유용한 도구다. 어떤 의미에서 대칭이란 패턴을 표현한 적절한 용어다. 수정은 다이아몬드처럼 대단한 대칭을 이루고 있다. 입자물리학의 표준모형은 대칭을 서술한 것이다. 원자보다 작은 입자들의 행동을 지배하는 모든 대칭들을 조직하는 것이 수학의 목적이다. 이것은 상당히 추상적인 진술이다. 이 원자들이 규칙적인 패턴을 표현한 적절한 용어다. 핵심만 따지면 과학은 이런 패턴들을 찾는 작업이다. 이 원자들이 규칙적인 패턴을 보이기 때문에, 그것을 설명하기 쉽다. 비슷한 예를 구체적으로 들자면 당신이 주사위를 받았다고 상상해보라. 주사위의 모양을 모르는데 그것의 기본 구조를 알아내라는 질문을 받았다. 두려워할 필요는 없다. 앞의 몇 장들은 중입자, 렙톤, 중간들의 연속 사격이었지만 우리는 입자물리학의 세부 사항을 이미 끝마쳤다. 표준모형의 모든 도구를 이미 우리 마음대로 다룰 수 있다. 표준모형을 이해하기 위해 얼마나 많은 입자를 배워야 했던가를 생각한다면, 이 모형의 크기를 두 배로 만드는 것은 마조히즘 행위처럼 보일 것이다. 그 이상으로 이들 초대칭 입자들의 존재만으로도 표준 모형의 예측을 미묘하게 변화시킨다. 표준모형의 크기를 두배로 하는 것은 마치 입자물리학을 두배나 더 복잡하게 만드는 일처럼 보인다. 하지만 과학자들은 바로 그렇게 하려고 한다. 초대칭의 기본적인 생각은 표준모형에 있는 모든 입자가 초대칭짝을 갖는다는 것이다. 하지만 그렇지 않다. 물리학자들은 초대칭을 표준 모형과 거의 동일한 것으로 생각한다. 표준모형에서 서로 다른 현상들은 실제로는 단일한 수학적 대상, 즉 대칭 그룹의 서로 다른 면들이다.  다시 말해, 그것은 몇 개의 면들을 가졌는지 알아내라는 것이다. 이것을 알기 위해서 당신이 허락받은 유일한 일은 몇 가지 실험을 하는 것이다. 주사위를 몇 번 굴려보고 무슨 일이 일어나는지를 살펴보라. 약간의 시간 동안 주사위를 굴려서 당신은 1, 2, 3, 4라는 숫자가 되풀이되어 나오는 것을 알게 되었다. 동일한 빈도는 아닐 수도 있고 또 주사위가 약간 한쪽으로 기울어 있을 수도 있지만 일단 그것은 무시하기로 하자. 이 숫자들 거듭 나타난다는 것을 알면 이제 패턴을 아낸 것이다. 당신은 가설을 세울 수 있다. 예를 들면 주사위가 피라미드처럼 4개의 면을 가지고 있다고 가정할 수 있다. 바로 그것이다. 당신은 이미 주사위의 기본 구조 모형을 만들었다. 과학자들이 자신들의 모형을 만들면서 하는 일이 바로 이것이다. 예를 들어 많은 화학 원소들을 기본 구조가 없다면, 서로 연결된 합성물들의 잡동사니처럼 보일 것이다. 숫자가 피라미드 모양을 한 대상의 서로 다른 면들이라고 다룰 수 있다. 미묘한 점이지만 이렇게 함으로써 당신의 관점을 이동하였다. 하지만 주기율표를 찾아내면서 화학자들은 개별적인 대상들을 더 큰 도표, 즉 단일하고 대칭을 이룬 대상 안에 통일시킬 수 있었다. 주사위가 피라미드와 같은 모양을 하고 있다는 가설을 만들면서 당신도 같은 일을 한 것이다.  주사위를 굴릴 때 나타나는 각각의 숫자를 만들어내는 원인이 무엇인가를 이해하려고 애쓰는 대신, 당신은 이 몇 가지 결과를 만들어내는 기본 대상의 모습을 이해할 수 있을 것이다.