우주 탄생의 신비를 풀 새로운 문이 한국 과학자를 포함한 국제 연구진에 의해 열렸다. 국제연구그룹인 벨(The Belle Collaboration)은 빅뱅 이후 현대 우주를 탄생하게 만든 ‘물질(matter)과 반물질(antimatter)의 비대칭성’ 문제에 대한 새로운 증거를 찾았다고 과학학술지 네이처(Nature) 2008년 3월 20일자에 "Difference in direct charge-parity violation between charged and neutral B meson decays(전하를 띤 B-메존 입자와 중성의 B-메존 입자가 붕괴시에 나타나는 직접적인 CP 위반(비대칭성)의 차이에 관한 연구)"(The Belle Collaboration, 2008)1)라는 논문으로 발표했다. 빅뱅(Bing bang)이후 물질과 반물질의 양이 같을 것으로(equal amounts)으로 예측되어 왔다. 그러나 우리 우주를 관측해보면 거의 물질만이 지배(matter-dominated)하고 있다. 이러한 반물질이 제거된 것(elimination of antimatter)을 이해하는 필요 조건들(prerequisites) 중 하나는 전하-일치(charge-parity, CP) 대칭(symmetry)의 비유지(nonconservation)인데, 이를 CP 위반(CP violation), 즉 비대칭(asymmetry)이라고 한다.

1) The Belle Collaboration, "Difference in direct charge-parity violation between charged and neutral B meson decays(전하를 띤 B-메존 입자와 중성의 B-메존 입자가 붕괴시에 나타나는 직접적인 CP 위반(비대칭성)의 차이에 관한 연구)", Nature, Vol. 452, No. 7185, pp.332-335, 20 March 2008.

[그림 : 우주 탄생의 비밀. 사진 : 동아일보(20/Mar/2008)]

벨 그룹에는 최영일 성균관대 물리학과 교수를 비롯해 고려대 경상대 경북대 서울대 연세대 한양대 과학자들이 참여했으며 해외에서는 일본 고에너지연구소와 미국 프린스턴대 등 51개 기관이 참여했다. 물질과 반물질의 비대칭성 문제는 물리학계 최대 수수께끼 중 하나로 1960년대 제기된 후 아직 해결되지 않았다. 빅뱅 이후 물질과 반물질이 만들어졌는데 이론상 반물질과 충돌해 모두 소멸해야 할 물질이 어떻게 살아 남아 현재의 우주를 만들었느냐는 것이 핵심이다.

CP 위반에는 두가지 타이프가 있는데, 중성의(neutral) K-메존(K meson, K0)과 중성의 B-메존(B0) 시스템에서 관측되고 있다. 즉, K0와 반입자인 -K0, B와 -B0사이에서의 융합에서 일어나는 것과, 각각 메존의 붕괴(decay)시에 일어나는 직접적인 CP 위반이다. 특히 B0 메존 시스템에서의 CP 위반이 제일 크게 관측되고 있다. 하지만 이들은 모두 입자 물리학의 표준 모델과 일치하고 있다는 점으로, 이 CP 위반을 일으키는 유일한 소스들은 너무 작아 물질만이 지배하는 우주를 설명할 수 없다.

이들은 일본에 있는 전자-양전자 충돌가속기를 이용해 전하를 띤(charged) B+-입자가 K+-로 붕괴될 때의 CP 위반이 중성의 B0가 붕괴될 때의 CP위반이 다르다는 사실을 발견했다. 물리학자들은 물질과 반물질의 비대칭성이 확인되면 빅뱅 이후 물질 일부가 반물질과의 충돌에서 살아 남아 현재 우주를 만들 수 있다고 주장해 왔다.

중간자 메존은 가장 작은 입자인 소립자 2개가 모여 만들어진 것이다. 예전에는 입자의 성질에 상관없이 비대칭성이 같을 것으로 예상했으나, 이번 실험 결과 전하를 띤 B 입자와 중성의 같은 B 입자가 붕괴할 때게 비대칭성이 각각 7%와 ―10%로 달라지고 있다는 현상을 발견했다. 이와 같은 현상들은 아마도 강력의 상호작용 효과(strong interaction effects)로 인한 것으로 추측되어 앞으로 연구를 통해 더 밝혀야 하겠지만, 이러한 전하를 띤 B 입자가 붕괴시에 보이는 7%의 비대칭성과, 중성의 B입자가 붕괴시에 보이는 -10%의 비대칭성의 커다란 차이는 비대칭성의 새로운 소스가 될 수 있음을 의미하는 것이며, 이는 더 나아가 우주에 만연하는 물질의 지배를 설명할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 최영일 성균관대 교수는 “이번 연구는 우주의 탄생을 엿볼 수 있는 새로운 단서”라며 “물질과 반물질의 관계를 정확히 밝혀낸다면 빅뱅 이후 우리가 살고 있는 우주가 만들어진 과정을 자세히 알 수 있을 것”이라고 설명했다.

[참조][2004 노벨 물리학상, David J. Gross, H. David Politzer, Frank Wilczek, “강력 상호작용 이론에서의 점근적 자유성(漸近的 自由性) 발견(for the discovery of asymptotic freedom in the theory of the strong interaction)”에 대한 공로로 수상, 최소 입자인 쿼크의 비밀(Secrets of Quark) 풀어, 소립자물리학 표준 모델(Standard Model of Microcosmos or Elementary Particle) 및 양자색력학(Quantum ChromoDynamics, QCD, or Theory of Colo(u)r Interactions) 완성에 기여, 거시세계의 중력만 통합하면 표준모델 완성 가능성(Oct/2004), 02014-TRM, 이미지 : 02257-04]

[소스]

[Michael E. Peskin, Particle physics: Song of the electroweak penguin, Nature(20/Mar/2008)]
[동아일보-우주탄생 ‘비밀의 문’을 열다(20/Mar/2008)]