1932년 미국 물리학자 칼 앤더슨이 촬영한 한 장의 사진은 현대 물리학의 가장 심오한 미스터리를 열었습니다. 그것은 반물질의 존재를 증명하는 최초의 증거였습니다. 빅뱅 당시 동일한 양으로 생성된 물질과 반물질은 서로 충돌하며 소멸했어야 했지만, 현재 우주는 오직 물질로만 이루어져 있습니다. 이 불가사의한 역설을 풀기 위해 전 세계 과학자들은 지하 1,000미터 깊이의 검출기부터 우주 정거장까지, 상상을 초월하는 실험을 진행하고 있습니다.
쿼크와 반쿼크의 대칭성 붕괴
빅뱅 후 처음 몇 마이크로 초 동안 우주는 쿼크와 반쿼크라는 기본 입자들로 가득했습니다. 물리학자 미태시를 비롯한 연구진은 유럽 입자 물리 연구소의 대형 강입자 충돌기를 통해 이 입자들의 비밀을 추적하고 있습니다. 100미터 지하에 설치된 이 거대한 장치는 광속에 가까운 속도로 초당 4천만 번씩 양성자 빔을 충돌시켜 빅뱅과 유사한 환경을 재현합니다.
쿼크는 빅뱅 직후 얼마 지나지 않아 더 큰 입자 안에 갇히게 되는데, 이를 연구하기 위해서는 다시 풀어내야 합니다. 강입자 충돌기가 만들어내는 극한의 에너지 환경에서 물질과 반물질을 구성하는 기본 입자들이 만나 폭발하고, 그 잔해 속에서 과학자들은 쿼크와 반쿼크 사이의 미세한 차이를 찾아냅니다. 수십 년간의 관찰 끝에 과학자들은 이 두 입자가 거울에 비친 상처럼 정확한 대칭이 아니라는 사실을 발견했습니다.
이 비대칭성이야말로 초기 우주에서 물질에 유리한 쪽으로 균형이 깨진 원인일 가능성이 높습니다. 그러나 이것만으로는 충분하지 않습니다. 관측된 쿼크와 반쿼크의 차이는 현재 우주의 물질 우위를 완전히 설명하기에 부족하며, 과학자들은 퍼즐에서 빠진 조각이 분명 어딘가에 숨겨져 있다고 확신합니다. 막대한 비용과 인력이 투입되는 이 연구가 과연 인류에게 어떤 실질적 의미를 갖는지에 대한 논란도 있지만, 우리 존재의 근원을 묻는 이 탐구는 순수 과학의 본질 그 자체입니다.
중성미자 진동과 맛깔 변화의 의미
반물질 미스터리를 풀기 위한 또 다른 열쇠는 중성미자라는 유령 같은 입자에 있습니다. 린들리 윈줄로와 태페 가톨릭 같은 과학자들은 이 비사교적인 입자가 물질과 반물질 사이의 근본적 차이를 밝혀줄 것이라 믿고 있습니다. 중성미자는 질량이 거의 없고 전하도 없어 다른 입자들과 거의 상호작용하지 않지만, 그 수는 놀랄 만큼 많습니다.
일본 중부 지하 1,000미터 깊이에는 중성미자 검출을 위한 거대한 물탱크가 설치되어 있습니다. 1억 달러를 투자해 만든 이 금빛 방에는 5만 톤의 순수한 물과 13,000개의 센서가 배치되어 있습니다. 매초마다 수백조 개의 중성미자가 빔 형태로 투사되며, 물속에서 드물게 일어나는 상호작용의 순간을 포착합니다.
중성미자의 가장 독특한 특징은 세 종류의 '맛깔' 사이를 오가며 종류가 바뀌는 진동 현상입니다. 처음에는 하나의 맛깔로 출발하지만 우주를 지나는 동안 계속 변화하다가, 물질과 상호작용하는 순간 마지막 맛깔로 굳어집니다. 연구진은 이러한 맛깔 변화 과정에서 물질과 반물질 사이에 중대한 차이가 발생한다는 이론을 검증하고 있습니다. 그러나 이론과 실험이 빠르게 전환되는 설명 방식은 비전공자에게 다소 어렵게 느껴지며, 각 가설이 갖는 한계나 과학계 내부의 논쟁 지점이 충분히 조명되지 않는다는 아쉬움이 있습니다.
반우주 가설과 시간의 대칭성
이론 물리학자 닐 튜록은 2018년 과학계에 충격적인 제안을 내놓았습니다. 거대한 검출기나 충돌기 없이, 오직 수학만으로 반물질 미스터리를 풀 수 있다는 것입니다. 그의 방정식에 따르면, 빅뱅 이전에는 반물질로 이루어진 또 다른 우주가 존재하며, 이 반우주에서는 시간이 거꾸로 흐릅니다.
닐의 주장에 따르면 우리 우주를 시간을 거슬러 빅뱅까지 추적한 뒤 그 너머로 계속 나아가면 반물질로 가득한 우주를 발견하게 됩니다. 이 반우주는 우리 우주와 같은 기원을 가지며 모든 면에서 동일하지만, 우리의 시각에서 볼 때 시간이 반대 방향으로 흐릅니다. 빅뱅은 깨진 달걀이 다시 온전해지는 순간이 되는 것입니다.
이 파격적인 이론이 맞다면 반물질 우주에는 거울 속의 또 다른 내가 존재할 것입니다. 닐은 향후 10년 내에 관측 결과가 자신의 이론을 뒷받침하거나 반증할 것으로 기대하고 있습니다. 노벨상 수상자 샘 팅은 다른 접근법을 택했습니다. 그는 30년 전부터 우주 공간에서 직접 반물질의 흔적을 찾는 프로젝트를 추진해 왔고, 2011년 5월 2억 달러의 비용을 들여 제작한 7.5톤 무게의 알파 자기 분광계를 인데버 우주왕복선에 실어 국제 우주 정거장으로 보냈습니다. 지구 위 400킬로미터 상공에서 수십억 개의 우주선을 분석한 끝에, 7년 뒤 드디어 반원자의 신호를 포착했습니다. 하지만 수많은 입자 속에서 발견된 것이라 착오 가능성도 배제할 수 없는 상황입니다.
1932년 한 장의 사진으로 시작된 반물질 연구는 거의 한 세기가 지난 지금도 진행 중입니다. 쿼크의 비대칭성, 중성미자의 맛깔 진동, 우주 공간의 검출, 그리고 반우주 가설까지, 다양한 접근법이 경쟁하며 발전하고 있습니다. 막대한 자원이 투입되는 이 연구들이 인류에게 어떤 실질적 가치를 가져다줄지에 대한 성찰은 여전히 부족하지만, "우리는 왜 존재하는가"라는 질문을 끝까지 던지는 태도 자체가 과학의 본질임을 새삼 깨닫게 됩니다. 과학자들은 낙관적입니다. 언젠가 이 미스터리가 풀리는 날, 우리는 존재의 근원을 마침내 이해하게 될 것입니다.
[출처]
영상 제목/채널명: https://youtu.be/QgNEazV_OcM?si=9_pKChUXifIqLKzd