우주의 물질은 어디서 오는가

우주의 물질은 어디서 오는 것일까?

대칭과 비대칭은 입자물리학자들에게 강력한 도구다. 원자보다 작은 세계 전체가 대칭적으로 구성된 것으로 보인다. 제10장에서 살펴보았듯이 아마도 초대칭에 의해 만들어졌을 것이다. 이 우주에서 새로운 대칭의 발견이나 이미 견고한 것으로 보이던 대칭의 붕괴는 우주가 작동하는 방식에 대해 또 다른 근원적인 진리를 나타내는 표시가 되곤 한다. 입자물리학에서 중요한 세 가지 대칭들은 각기 그 첫 글자를 따서 C P T라고 부른다. 1950년대 말까지 과학자들은 p 대칭 우주를 지배하는 기본 법칙이라고 생각했다. 당신이 마법을 이용하여 우주를 슈퍼 거울에 비춘다면, 두 우주는 구분할 수 없이 똑같을 것이다. 하지만 원자보다 작은 규모에서 바라보자 거울에 비친 물질이 보통의 물질과 미묘한 차이를 보였다. 이들 세 대칭은 물질과 반물질 사이에 나타나는 차이의 비밀을 쥔 것으로 보인다. 이상한 나라의 앨리스는 거울 통과해 여행하면서, 모든 것이 거울 속에 비친 것처럼 뒤집힌 세계로 들어간다. 앨리스는 "무의미한 말"이라는 시의 구절을 보았을 때 문자와 단어를 왼쪽에서 오른쪽이 아니라 오른쪽에서 왼쪽으로 읽어야 했다. 앨리스는 거울에서 반사된 모습들을 통과했다. P 대칭의 핵심은 앨리스가 자신의 원래 세계와 거울 세계의 물리학 법칙 사이에 아무런 근본적인 차이를 느끼지 못한다는 것이다. 우주가 거울에 비친 것을 빼고는 물리학 법칙 자체는 그대로 남는다는 뜻이다. 뉴저지 프린스턴 고등연구소에서 일하던 양첸닝과 리 칭다오는 특정한 핵이 붕괴할 때 P 대칭이 무너지는지를 실험할 수 있는 방법을 찾아냈다. 그들의 실험은 코발트 핵이 붕괴하면서도 위로 향하는 전자와 아래로 향하는 전자들을 방출하는 상황을 만들어냈다. 그 결과는 위로 올라가는 전자보다 아래로 내려가는 전자들이 더 많았다. 또한 거울 세계에서 실험한다면, 아래로 내려가는 전자보다 위로 올라가는 전자가 더 많아질 것이라는 사실도 보여주었다. 다시 말해 그들의 실험은 우리 우주와 거울 우주 사이에 차이가 있음을 보여주었다. 한쪽 우주에서는 전자들이 위로 더 많이 올라가고, 다른 쪽 우주에서는 아래로 더 많이 내려간다. P 대칭이 깨졌다. 거울 우주가 우리의 것과 동일하지 않았기 때문이었다. 이 공로로 양과 리는 1957년에 노벨 문학상을 받았다. 양과 리의 실험에서 CP 대칭이었다. 당신이 물질을 반물질로 대체하고 거울 속의 세계를 보여주는 장치를 갖춘다면 결과는 동일할 것이다. 양과 리의 실험이 P 대칭의 붕괴를 보여주었지만, 결과는 동일 할 것이다. 한동안 물리학자들은 또 다른 조건, 즉 C 대칭을 첨가해 P 대칭을 회복할 수 있다고 생각하였다. P 대칭이 물질을 거울 물질로 대체하는 것과 관계가 있다면, C 대칭은 물질을 반물질로 대체하는 것이다. 두 대칭을 합친 CP 대칭은, 물질을 반물질로 대체한 거울 우주 P에서 물리학 법칙이 변치 않고 그대로 남을 것이라고 주장한다.양과 리의 실험이 P 대칭의 붕괴를 보여주었지만, 그래도 CP 대칭은 몇 년 동안 견고하게 살아남았다. 1964년에 밸 피치와 제임스 크로닌이 K0 중간자가 CP 대칭이 파괴될 경우에만 붕괴한다는 사실을 [물리학 리뷰 레터]에 발표하였다. CP 대칭이 깨졌다.

 

일리노이 바타비아에 있는 페르미 연구소는 최근에 케이(K) 중간자들의 붕괴를 실험하였다. 특히 연구자들은 붕괴의 생성물이 달아나는 각도들에 주목하였다. CP 대칭의 깨짐은 특정한 각도에서 일어난다는 사실이 알려졌다. P 대칭이 깨지는 것이 위로 올라가기보다는 아래로 내려가는 서울 선택했던 것과 마찬가지다. 반K 0 중간자들이 K0 중간자들보다 약간 빠르게 붕괴하였다. 즉 당신이 K0 중간자와 반K 0 중간자들을 잔뜩 만들어낼 수 있다면, 반물질이 물질보다 약간 더 빨리 사라지는 것을 보게 된다는 뜻이다. 하지만 유럽 입자물리연구소에서 측정한 또 다른 결과는 더욱더 충격적이다. 2001년 5월 10년 동안의 작업을 마친 다음 유럽 입자물리연구소의 공동 작업은 K0 중간자와 반K 0 중간자 2천만 개의 붕괴를 측정한 결과를 발표했다. 1967년에 러시아 물리학자 안드레이 사하로프는 이렇게 미세한 비대칭이 아주 약하지만 중요한 강점을 물질에 부여한다고 말했다. 우주가 태어났을 떄 아마도 빅뱅의 에너지는 거의 같은 비율로 물질과 반물질을 만들어졌을 것이다. 물질의 양이 반물질의 양과 정말로 똑같다면 우주에서 물질과 반물질은 서로를 지워버리고, 에너지 수프 이외에 아무것도 남기지 않았을 것이다. 하지만 물질이 작은 이 점을 갖기 때문에 반물질보다 약간 더 많은 물질이 살아남았다. 반물질과 물질이 서로를 지우고 난 다음에도 남은 약간의 물질이 우주를 구성했다. 과학자들은 CP 대칭이 깨지는 과정을 아직 완전히 이해하지 못했다. 케이(K) 중간자가 유일하게 CP 대칭 파괴를 보여주는 입자다. 아마도 10억분의 1 정도일 것이다. 이렇게 약간 더 많은 부분이 바로 우리가 물려받은 유산이다.  따라서 CP 대칭이 깨지는 과정의 수학적 초상화를 얻기 위해서는 더욱 이상한 쿼크, 예를 들어 바닥 쿼크 같은 것을 포함하는 또 다른 입자 유형에서 그것을 관찰할 수 있어야 한다. 바닥 쿼크가 중량이 큰 쿼크이고 드물기 때문에, B중간자처럼 바닥쿼크를 포함하는 입자들을 만들기 어렵다. 하지만 불가능한 것은 아니다. 지난 몇 년 동안 캘리포니아에 있는 스탠퍼드 선형 입자 가속기 연구소는 B 중간자들을 잔뜩 만들어 그들을 붕괴하는 과정을 관찰하고 있다. 일본에 있는 또 다른 B 중간자 공장도 같은 일을 하고 있다. 2001년에 캘리포니아와 일본 B 중간자에서 CP 대칭 파괴의 암시를 보았다. 머지않아 페르미 연구소의 테바트론 입자가속기도 V 중간자들을 잔뜩 만들어낼 것이다. 아직 확실하게 말하기에는 이르지만, 과학자들은 CP 대칭 파괴 수수께끼의 마지막 퍼즐 조각을 찾아냈다고 발표할 준비가 거의 끝났다고 본다.