重이온 加速器로 ‘갓난아기 宇宙’ 再現成功

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入力 2010年 3月 5日 03時 00分

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國內科學者包含國際硏究陣 ‘反粒子原子核’ 發見

《宇宙의 始作인 빅뱅 以後數百萬分의 1秒 만에 태어난 갓난아기 宇宙를 韓國科學者들이 包含된 大型國際硏究팀이 찾아냈다. 유인권 이창환 釜山大物理學科敎授가 包含된 國際硏究 그룹 ‘스타(STAR)’는 4日 “反粒子만으로 이뤄진 原子核을 發見하는 데 成功했다”고 밝혔다. 이제껏 몰랐던 새로운 物質狀態와 初期宇宙의 모습을 發見한 것이다. 이 硏究는 國際學術誌 ‘사이언스’ 5日子에 發表됐다. 스타 프로젝트는 美國 브룩헤이番硏究所重이온 加速器(RHIC)의 大型檢出器를 利用한 實驗 프로젝트로 主로 무거운 粒子의 性質을 硏究한다. 이 프로젝트에는 12個國 54個硏究機關에서 500餘名의 科學者가 參加하고 있다.》
金原子核衝突시키자 미니빅뱅 狀態서 發生
初期宇宙粒子推定… 物質誕生祕密 벗길 端緖

한국 과학자가 포함된 국제 연구진이 ‘빅뱅’을 작은 규모로 재현한 ‘미니빅뱅’에 성공했다. 미니빅뱅은 초기 우주를 낳았다. 사진 제공 NASA — 韓國科學者가 包含된 國際硏究陣이 ‘빅뱅’을 작은 規模로 再現한 ‘미니빅뱅’에 成功했다. 미니빅뱅은 初期宇宙를 낳았다. 寫眞提供 NASA

두 개의 원자핵이 충돌하는 모습의 상상도. 빛의 속도로 가속기 안을 달리던 원자핵(중이온)이 충돌하면 우주가 태어났을 때를 닮은 미니빅뱅이 일어난다. 오른쪽 아래 사진은 스타(STAR) 검출기로 찾아낸 새로운 입자들의 궤적이다. 사진 제공 부산대 — 두 個의 原子核이 衝突하는 모습의 想像圖. 빛의 速度로 加速器 안을 달리던 原子核(重이온)李衝突하면 宇宙가 태어났을 때를 닮은 미니빅뱅이 일어난다. 오른쪽 아래 寫眞은 스타(STAR) 檢出器로 찾아낸 새로운 粒子들의 軌跡이다. 寫眞提供釜山大

○ 金原子核 빛의 速度로 衝突시켜

重이온 加速器는 무거운 金屬原子를 衝突시켜 일어나는 다양한 現象을 觀察한다. 政府가 1月世宗市에 誘致하겠다고 發表한 國際科學비즈니스벨트에도 重이온 加速器設置計劃이 들어 있다. 스타 硏究陣은 이番加速器實驗에서 두 個의 金原子核을 빛과 같은 速度로 衝突시켰다. 金原子核 하나는 無慮 1000億 eV(전자볼트)의 에너지를 갖고 있다.

두 個의 金原子核이 衝突하자 神奇한 現象이 나타났다. 水槽度의 想像도 못할 高熱이 發生하면서 原子核이 모두 녹아 巨大한 에너지로 바뀌어 버렸다. 宇宙가 태어나기 直前의 巨大 에너지 狀態卽 ‘빅뱅이 일어나기 直前’의 縮小版이 된 것이다.

이 에너지는 加速器 안에서 ‘미니 빅뱅’을 일으키며 宇宙가 처음 태어날 때 만들어졌던 작은 粒子, 卽 쿼크 等을 만들기 始作했다. 그中反粒子로 불리는 反陽性子, 反中性子, 반초입자(反람다粒子)가 한데 뭉쳐 이番에 發見된 ‘反原子核(半草三重水素核)’을 만들었다. 反粒子는 다른 性質은 모두 같은데 電氣的性質만 다른 粒子로 陽性子가 플러스(+) 電荷를 띠는 데 비해 反陽性子는 무게, 模樣은 모두 같고 마이너스(―) 電荷를 띠는 것만 다르다.

柳敎授는 “세 個의 反粒子가 뭉쳐 만들어진 反原子核이 發見된 것은 世界最初”라며 “카드 게임에 빗대면 確率的으로 稀貴한 로열 스트레이트 플러시가 뜬 셈”이라고 말했다. 反原子核은 數千億分의 1秒 만에 崩壞하며 사라졌지만 自身의 痕跡을 檢出器 안에 남겼다. 柳敎授는 “이 現象은 2007年에 처음 發見됐으며 2008年下半期부터 分析이 始作돼 이番에 論文으로 나왔다”며 “當時硏究員들 모두 ‘어떻게 이런 게 나올 수 있나’ 하고 神奇해했다”고 說明했다. 柳敎授와 李敎授, 최경언 氏(博士課程)는 스타 硏究그룹 안에서 重이온 衝突實驗檢出器開發과 데이터 分析에 參與했다.

○ 끈적거리는 液體 같은 初期宇宙

加速器 안에서 瞬間的으로 생겨났다 사라진 이 粒子가 왜 重要한 걸까. 빅뱅 以後 태어난 宇宙의 첫 모습을 밝히고 物質의 神祕도 벗겨낼 수 있기 때문이다. 李敎授는 “只今은 存在하지 않지만 빅뱅 以後 만들어진 첫 物質中 하나에 가장 가까이 다가간 셈”이라며 “宇宙의 進化와 物質의 誕生을 열 수 있는 열쇠를 發見한 것”이라고 比喩했다.

한때 빅뱅 以後 첫 宇宙는 氣體에 가까운 플라스마 狀態여서 初期에 만들어진 粒子들이 自由롭게 움직인다고 생각했다. 그러나 柳敎授는 “요즘에는 첫 宇宙가 매우 끈적끈적한 液體와 비슷한 狀態였을 거라고 많이 생각한다”며 “이番硏究는 그것을 證明해주는 것”이라고 說明했다. 柳敎授에 따르면 初期宇宙에서는 수많은 粒子들이 剛하게 相互作用을 하며 서로 얽혀 存在한다. 이 中에는 마치 牌거리처럼 떼를 지어 다니는 反粒子들度 생겨났다. 이들이 뭉치는 바람에 ‘反陽性子反中性子 반초입자’가 結合한 ‘反原子核’李 태어났고 이番에 加速器 안에서도 볼 수 있었다는 것이다. 柳敎授는 “宇宙初期에는 奇妙한 形態의 原子들이 많이 만들어졌을 것”이라며 “이番發見은 그들을 觀察하는 出發點이 될 것”이라고 期待했다.

이番硏究는 初期宇宙에서 反粒子가 많이 만들어졌을 것이라는 豫測도 뒷받침한다. 科學者들은 빅뱅 以後粒子와 反粒子가 같은 量으로 만들어졌을 것으로 豫想한다. 그러나 ‘對稱 깨짐’이라는 現象 때문에 粒子가 더 많이 살아남았고 結局只今의 宇宙가 되었다는 것이다. 萬一對稱 깨짐 現象이 없었다면 모든 粒子와 反粒子가 衝突해 사라지면서 現在의 宇宙도 없었을 것이다.

柳敎授는 “萬一反粒子가 더 많이 살아남아 只今의 宇宙를 만들었다면 比喩的으로 表現해서 原子核은 마이너스 殿下, 前者는 플러스 電荷를 띠게 됐을 것”이라며 “우리 宇宙와 다른 次元의 또 다른 宇宙에서는 反粒子로 만들어진 宇宙도 存在할 것”이라고 말했다.

김상연 동아사이언스 記者 dream@donga.com

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