d라이브러리

영국의 저명한 이론물리학자인 폴 디랙은 물리학에 대한 철학적 의미를 묻는 태도에 대해 늘 회의적이었다. 물리학자는 엄밀한 수식을 통해 자연의 법칙을 드러낼 뿐이라는 것이다. 그러나 아이러니컬하게도 디랙이야말로 물리학에서 최대의 철학적 난제 중 하나를 던진 장본인이다. 디랙은 현대물리학의 중요한 두 축인 양자역학과 상대성이론을 결합한 새로운 이론을 창시하는 과정에서 ‘반입자’의 존재를 최초로 예언했기 때문이다.

반입자(antiparticle)란 간단히 말해서 현재 우주를 이루고 있는 입자와 질량 등 물리적 성질은 동일하지만 전하가 반대인 입자다. 예를 들어 음의 전하를 갖는 전자의 반입자인 양전자는 양의 전하를 갖는다. 입자와 반입자가 만나면 빛의 형태로 많은 에너지를 내며 소멸한다. 역으로 고에너지 입자들이 반응하면서 입자-반입자 쌍이 생성되기도 한다. 디랙에 따르면 모든 입자에 대해서 반입자가 있어야 한다는 것은 상대성이론과 양자역학으로부터 나오는 피할 수 없는 결론이다.

‘양전자라니. SF소설을 쓰나….’

1928년 발표된 디랙의 논문에 물리학자들은 실소를 금치 못했다. 세미나에 디랙이 나타나기라도 하면 누군가가 “도대체 양전자는 어디에 있소?”라는 물음을 던져 좌중은 웃음바다가 됐다고 한다. 그러나 1932년 미국 캘리포니아공대의 칼 앤더슨이 우주로부터 오는 소립자의 흐름인 우주선이 지구대기와 충돌할 때 순간적으로 생겼다 사라지는 양전자의 존재를 포착하자 디랙은 몽상가에서 일약 물리학계의 전설이 됐고 1933년 노벨 물리학상은 그에게 돌아갔다. 한편 앤더슨은 3년 뒤인 1936년 노벨 물리학상을 수상했다.

그뒤 디랙의 이론을 면밀히 검토한 물리학자들은 모든 물질은 그것의 반물질을 갖는다는 자연 법칙에 내재된 심오한 대칭성을 깨달았다. 특히 관찰이 아니라 수식이 먼저 그 비밀을 밝혔다는 데서 이 이론의 우아함이 더 돋보였다. 그러나 그들은 곧 깨달았다. 자신들이 디랙을 비웃었던 이유, 즉 물질만으로 이뤄진 현재의 우주가 존재한다는 것 자체가 대칭성이 깨졌음을 의미한다는 것을.

우주탄생 초기에는 입자와 반입자가 같은 양으로 생성됐을 것이므로 대칭성이 완벽히 유지되는 우주에서는 이들이 충돌해 빛을 내고 소멸하거나 입자-반입자 쌍이 생겨나는 현상이 반복될 뿐 입자만으로 이뤄진 현재의 우주는 존재할 수 없기 때문이다.

결국 우주가 존재한다는 것은 입자와 반입자 사이에 본질적인 비대칭이 존재함을 뜻한다. 즉 어떤 이유에서인지 입자와 반입자 사이의 수에 차이가 생겼다는 것이다. 물리법칙의 대칭성을 추구하는 물리학자들에게 이 부분은 설명할 수 없는 미스터리로 남아있었다.

우주는 왼손잡이
 

그럼에도 대다수 물리학자들은 우주가 존재한다는 현상의 비대칭 이면에는 좀더 심오한 법칙의 대칭성이 존재하리라는 믿음을 잃지 않았다. 즉 어느 물리계를 전하(C, Charge)나 패러티(P,Parity), 시간(T, Time)에 대해 변환시켰을 때 그 시스템에는 원래의 물리법칙과 똑같은 물리법칙이 적용된다는 것이다.

전하만 바뀐 경우 즉 ‘C변환’은 입자가 반입자로, 반입자가 입자로 바뀐 경우다. 예를 들어 물질로 이뤄진 당구공끼리 충돌할 때 적용되는 물리법칙과 반물질로 만들어진 당구공끼리 충돌할 때 적용되는 물리 법칙은 동일하다고 여겨진다. 따라서 당구공의 움직임만 봐서는 물질로 만들어진 당구공인지, 반물질로 만들어진 당구공인지 구분할 수 없다. 이를 ‘C대칭성’이라고 부른다.

‘P변환’은 자연계를 거울에 비춰 바라보는 것이다. 당구공들은 물리 법칙에 따라 움직인다. 그런데 거울 속 당구공들의 움직임을 분석해도 실제와 똑같은 법칙이 적용될 것이라고 여겨진다. 이 경우 당구공의 움직임만으로는 이게 실제인지, 거울 속에서 일어난 일인지 구분할 방법이 없다. 이를 ‘P대칭성’이라고 부른다.

한편 ‘T변환’은 시간을 거꾸로 되돌린 것이다. 영화 필름을 거꾸로 돌린다면 우리는 누구나 이것이 실제사건의 역순이라는 걸 알기 때문에 폭소를 터뜨릴 것이다. 그러나 미시세계의 자연법칙은 이를 구분할 수 없다고 여겨진다. 당구의 예를 다시 들면 흰공이 서있는 빨간공을 때려 자신은 멈추고 빨간공이 움직였을 경우에 적용된 법칙이나 시간을 거꾸로 돌렸을 때의 상황, 즉 빨간공이 서있는 흰공을 때려 자신은 멈추고 흰공이 움직였을 때 적용된 법칙은 동일하다. 물론 공기나 당구대 바닥과의 마찰력은 없는 이상적인 경우다. 이를 ‘T대칭성’이라고 부른다.

1956년, 중국계 젊은 물리학자인 양전닝과 리정다오는 이런 믿음에 의문을 제기했다. 이들은 P변환의 대칭성이 깨질 수 있다는 이론을 내놓고 이를 증명할 실험까지 고안해 실험물리학자들에게 실험을 촉구했다. 즉 자연은 때로 왼쪽과 오른쪽을 절대적으로 구분할 수 있다는 것이다.

당시 물리학자들은 자연의 법칙은 실제 사건과 거울 속의 사건을 구분할 수 없다고, 즉 P대칭성이 보존된다고 믿고 있었다. ‘파울리의 배타 원리’로 유명한 오스트리아의 이론물리학자 볼프강 파울리는 이들의 주장을 입증하는 실험은 시간낭비라며 다음과 같은 내용의 편지를 친구에게 보냈다.

“난 신이 약간 왼손잡이라는 이들의 주장을 믿을 수 없네. 이 실험이 대칭적인 결과를 얻는다는데 대해 큰 돈을 걸 준비가 돼 있네.”

이처럼 많은 물리학자들은 이들의 이론에 대해 수식의 장난이라고 무시했지만 미국 컬럼비아대 우젠슝 박사는 이 실험을 해보기로 했다. 이듬해 그녀는 실험을 통해 이들의 이론이 옳음을 증명했다.

1957년 방사성 동위원소인 코발트60의 베타 붕괴를 관찰한 결과 방출되는 전자의 스핀이 비대칭인 것으로 밝혀졌다. 즉 왼쪽으로 도는 전자의 개수가 오른쪽으로 도는 것보다 많았던 것이다. 한편 베타 붕괴에서 전자와 함께 방출되는 뉴트리노의 경우는 모두 왼쪽 방향의 스핀을 갖고 있다는, 즉 ‘왼손잡이’라는 사실이 훗날 밝혀졌다. 우리가 아는 한 우주에서 오른손잡이 뉴트리노는 없다. 뉴트리노는 우주가 왼손잡이라는 것을 보여주는 가장 분명한 예인 셈이다.

P대칭성 깨어짐, 즉 자연 법칙은 실제와 거울을 구분한다는 이 실험 결과는 물리학계에 센세이션을 불러일으켰고 파울리는 스웨덴을 찾아가 이 발견이 ‘물리학의 역사적인 사건’임을 설명했다. 결국 양과 리는 이해 노벨 물리학상을 받게 된다. 노벨상의 역사상 이론이 나온 바로 이듬해에 상이 수여된 것은 이때가 처음이었고 그 뒤에도 이런 일은 일어나지 않고 있다. 이 실험에 대해 1979년 노벨 물리학상 수상자인 이론 물리학자 압두스 살람은 이렇게 말하고 있다.

“나는 친구에게 왼눈만 가진 거인을 묘사한 고전 작가가 있는지 물어봤다. 그는 외눈박이 거인의 목록을 보여줬지만 이들은 모두 얼굴 한가운데 눈이 놓여 있었다. 내가 보기에 우리가 발견한 것은 우주가 눈이 약간 왼쪽으로 쏠린 거인이라는 것이다.”

CP대칭성도 깨져

물질과 반물질이란 대칭성의 우아함에 감탄하다가 세상이 물질로만 이뤄졌다는 엄연한 사실 앞에서 당황하던 물리학자들은 물질에서 일어나는 현상에서조차 대칭성이 깨진다는 사실에 상심이 깊어졌다. 얼마 뒤 C대칭성도 깨질 수 있다는 실험결과도 나왔다.

그러나 좀더 심오한 자연의 법칙은 여전히 대칭성을 보일 것이라는 믿음을 잃지 않고 물리학자들은 연구를 계속했다. 그 결과 새로운 이론이 나왔다. C대칭성과 P대칭성이 깨졌더라도 CP변환, 즉 전하와 패러티를 같이 바꿔주면 대칭성이 유지될 것이라는 내용이다. C대칭성 깨짐의 효과와 P대칭성 깨짐의 효과가 서로 상쇄되기 때문이다. (-1)×(-1)=1이 되는 것과 비슷한 원리다. 결국 CP대칭성은 왼손잡이 물질과 오른손잡이 반물질에 적용되는 물리 법칙은 동일하다는 것이다.

이런 그럴듯한 이론을 내놓고 만족해하던 것도 잠시뿐이었다. 1964년 미국 브룩크해븐연구소의 제임스 크로닌과 밸 피치가 CP대칭성이 깨진다는 실험결과를 발표했기 때문이다. 이들은 ‘${K}^{0}$입자’라고 불리는 수명이 매우 짧은 중간자의 붕괴과정을 추적하는 과정에서 이런 사실을 발견했다. 중간자의 수명이 짧은 것은 쿼크와 반쿼크로 이뤄져 있기 때문에 서로 부딪쳐 소멸할 가능성이 높기 때문이다.

질량이 양성자의 절반쯤 되는 ${K}^{0}$입자는 다운쿼크와 반스트레인지쿼크로 구성돼 있다. 이것은 파이온이라는 좀더 가벼운 입자로 바뀐 뒤 최종적으로는 전자와 광자 같은 안정한 입자를 남기고 사라진다. 연구자들은 양성자가속기에서 ${K}^{0}$입자와 그 반입자를 발생시켰다.

입자와 반입자는 쌍으로 태어나므로 이들도 같은 숫자로 생길 것이다. 한편 이렇게 생기는 입자-반입자 쌍은 스핀이 반대방향, 즉 서로 거울상이므로 결국 둘은 CP변환을 한 관계다. 따라서 CP대칭성이 보존된다면 둘의 소멸 패턴이 동일할 것이다. 그러나 관찰 결과 둘의 소멸 패턴에 미미한 차이가 발견됐다. 즉 물질과 반물질에 적용되는 물리법칙이 다르다는 첫 번째 실험결과를 얻은 것이다.

이 실험은 물리학자들에게 실망과 희망을 동시에 안겨줬다. 물리 법칙의 측면에서는 CP대칭성이 깨졌으므로 우아함에 금이 갔지만 실제 물리 세계, 즉 현재 우주가 보여주고 있는 물질과 반물질의 불균형을 낳게 된데 관련이 있을지도 모르는 과정이 최초로 관찰됐기 때문이다. 즉 이때까지는 도무지 실마리도 찾을 수 없었던 우주의 비대칭이 꼬리를 살짝 보여준 것이다.

표준이론으로 벗어나는 현상 발견
 

P대칭성과 C대칭성이 깨졌고, 믿었던 CP대칭성마저 깨졌다. 그러나 CPT대칭성, 즉 C변환, P변환, T변환을 다 할 경우 대칭성이 유지된다는 것은 디랙의 이론에 따르면 필연적인 결과다. 따라서 물리학자들은 CPT대칭성에 대한 믿음을 여전히 갖고 있다. 비록 CP변환으로 대칭성이 깨질 수 있지만 여기에 T변환을 추가하면 다시 대칭성이 유지된다는 설명이다. 아직까지 CPT대칭성을 입증하거나 반증한 실험은 없다.

현재 입자물리학 이론을 종합한 ‘표준이론’은 CPT대칭성을 기본으로 삼고 있다. 표준이론은 지난 40여년 동안 얻어진 거의 모든 입자물리 실험결과들을 정확하게 예측한 매우 성공적인 이론이다. 그럼에도 물리학자들은 표준이론이 궁극의 완전한 이론이 될 수는 없을 것이라는데 대체로 동의하고 있다. 표준이론이 제대로 설명하지 못하는 몇가지 문제점들이 있기 때문인데, 특히 현재 우리 우주가 보여주는 물질 대 반물질의 심각한 불균형을 제대로 설명하지 못하고 있다. 즉 왜 우리 주변의 만물이 양성자, 중성자, 전자로만 이뤄져 있고 그들의 반물질인 반양성자, 반중성자, 양전자들은 모두 어디로 갔는냐는 것이다.

물론 표준이론의 체계 안에서 CP 대칭성 깨짐의 물리적 원인을 규명하는 이론은 나와있다. 최초의 이론은 1973년 일본의 고바야시 마코토와 마스카와 도시히데가 발표했는데, 6가지 쿼크 각각의 고유한 성질이 입자와 반입자의 약한 상호작용에 미묘한 차이를 유발했다는 것이다. 그 뒤 이를 보완한 이론들이 나왔지만 이 정도로는 지금 같은 물질의 압도적 우위를 설명하기 어렵다.

최근 물리학자들은 또 다른 중간자인 ${B}^{0}$입자를 갖고 CP 대칭성이 깨져 있는지 알아보기 위한 실험을 진행하고 있다. 이론에 따르면 ${B}^{0}$입자는 ${K}^{0}$입자보다 대칭성이 깨지는 정도가 훨씬 커 그 원인을 규명하는데 유리할 것으로 예상되기 때문이다. 현재 미국 스탠퍼드선형가속기연구소(SLAC)에서는 ‘바바(BaBar)실험’이란 이름으로, 일본 고에너지가속기연구기구(KEK)에는 ‘벨(Belle)실험’이란 이름으로 불리는 국제공동연구가 진행되고 있다.

벨실험에는 필자(권영준)를 포함, 한국의 8개 대학에 소속된 20여명의 연구진이 참여하고 있는 반면 아쉽게도 바바실험에는 필자(원은일)를 제외하고는 미국에서 연구하고 있는 한국인이 몇 명 참여하고 있을 뿐이다. 두 실험 모두 빛의 속도에 가깝게 가속시킨 전자와 양전자를 충돌시켜 소멸할 때 발생하는 에너지에서 ${B}^{0}$입자-반입자 쌍을 만든다. 두 실험은 1999년부터 시작됐는데 오늘날까지 서로 건전한 경쟁관계에 있다.

${B}^{0}$입자는 다운쿼크와 반보텀쿼크로 이뤄져 있는데 수명이 매우 짧아 1피코초(피코는 1조분의 1) 후에는 다른 입자로 붕괴된다. 그런데 붕괴 방식이 다양해 100가지가 넘는다. 2001년 두 연구팀은 B입자가 참쿼크를 거쳐 제이/프사이(J/Ψ)입자와 Ks입자로 붕괴하는 과정에서 표준이론이 예측하는 값의 범위 내에서 CP대칭성이 깨진다는 결과를 동시에 발표했다.

그러나 최근에 행해진 또 다른 실험에서는 표준이론의 예측값과 일치하지 않는 결과가 나와서 물리학자들의 관심을 끌고 있다. 이번 실험은 ${B}^{0}$입자의 반보텀쿼크가 스트레인지쿼크로 바뀌는 일련의 과정을 거치면서 결국 파이(Φ)입자와 Ks입자로 붕괴하는 과정을 추적한 것이다. 그 결과 두 실험 모두 표준이론이 예측하는 값을 벗어난 결과를 얻었다. 이를 어떻게 설명해야할까.

표준이론에 따르면 이 붕괴반응은 W입자와 반톱쿼크로 이뤄진 원형 고리를 거쳐 이뤄진다. 결국 실험값이 표준이론의 예측값과 다르다는 것은 이 과정이 표준이론을 초월하는 새로운 물리법칙에 따르기 때문일지도 모른다. 여기에는 현재 이론물리학자들이 진지하게 논의하고 있는 초대칭이론이 적용될지도 모른다.

초대칭이론은 표준모형이 설정한 12개의 기본입자와 힘을 전달하는 입자들 각각에 초대칭입자가 존재한다고 가정하고 있다. 즉 위의 과정에서 W입자나 반톱쿼크 대신 초대칭입자가 관여할지도 모른다. 그러나 현재의 결과만으로는 어떠한 결론도 내리기 어렵고 추후 더 많은 실험이 행해져야 한다.

대칭성을 추구하는 물리 법칙과 너무나 비대칭적인 물리적 현실. 이 모순을 극복하고 해석하기 위한 물리학자들의 집념이 우주의 신비를 벗기는 노력의 원동력이 되고 있는 셈이다.

패러티(parity)

단어 본래의 의미는 ‘서로 같은’이다. 물리학에서는 물체를 거울에 비췄을 때 대칭성을 의미한다. 즉 당구공은 실제와 거울 속이 동일하므로 패러티가 보존된 것이고, 코르크따개는 서로 겹쳐지지 않으므로 패러티가 보존되지 않는다.

베타 붕괴

불안정한 원자핵이 전자 또는 양전자를 방출하고 다른 원자핵으로 변환하는 현상. 중성자가 양성자로 바뀌면서 전자와 안티뉴트리노를 방출하는 과정이 대표적이다. 이때 관여하는 힘이 약한 상호작용, 즉 약력이다.

스핀(spin)

자기장의 영향을 받는 입자의 성질을 표현하는 용어. 팽이가 도는 방향이 두가지인 것처럼 전자의 경우 두가지 스핀이 있다. 방향에 따라 ‘왼손잡이’ 전자와 ‘오른손잡이’ 전자로 구분한다.

쿼크(quark)

양성자와 중성자 등 입자를 이루는 기본입자로 업쿼크와 다운쿼크를 비롯해 참쿼크, 스트레인지쿼크, 톱쿼크, 보텀쿼크 등 모두 6가지가 있다. 홀로 존재하지는 않으며 둘 또는 셋이 모여 중간자나 중입자를 이룬다.

표준이론

1960년대 중반 셸던 글래쇼, 스티븐 와인버그, 압두스 살람 등이 입자물리의 현상을 설명하기 위해 만든 이론. 12개의 기본입자와 그 힘을 매개하는 입자를 설정하고 있다. 작고한 이휘소 박사도 표준이론 설립에 큰 공헌을 했다.



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