지금은 사라진 우주의 '반물질' 행방 실마리 규명

"힉스입자 특성 측정할 수 있는 차세대선형가속기 전 단계"

▲전자와 양전자가 충돌하여 매혹 중간자를 만들어 내는 과정.[사진제공=미래부]

[아시아경제 정종오 기자]우주가 만들어졌을 때 물질과 함께 있었던 반물질의 행방에 대한 실마리가 규명됐다. 국내 연구진이 충돌실험을 통해 우주를 이루는 기본입자가 그 반입자와 섞이는 현상을 규명해 낸 것이다. 우주 생성초기에 기본입자와 짝을 이루며 존재했지만 이제는 사라지고 없는 반물질의 행방에 대한 실마리가 될 것으로 기대된다.

우주를 이루는 기본입자에는 전하만 반대이고 나머지 성질은 같은 '반입자'가 있다. 우주 생성 초기에는 반입자로 이뤄진 반물질이 물질과 같은 양으로 존재했다. 현재는 물질만 존재하는 것으로 관측되고 있다. 반물질(anti-matter)의 행방에 대한 질문은 과학에서 가장 중요한 질문 중 하나이다.

우주를 이루는 기본입자의 하나인 매혹쿼크 중간자는 반입자와의 뒤섞임 가능성 때문에 각국 연구진이 그 증거를 찾으려고 애쓰지만 전자-양전자 충돌데이터로는 결정적 증거가 부족한 상황이었다.

매혹쿼크 중간자(charm quark meson)는 우주를 이루는 기본입자인 6개의 쿼크 중 하나인 매혹쿼크와 다른 쿼크 2개가 뭉쳐진 계로 약 10~13 초 정도만 존재하다가 붕괴하는 양자상태를 말한다. 양자상태의 뒤섞임(mixing of quantum state) 현상은 두 개의 양자상태가 한 상태에서 다른 상태로 전이하는 것을 말한다.

연구팀은 매혹쿼크 중간자와 그 반입자와의 섞임 현상이 99.9999% 이상의 신뢰성을 가지고 반드시 일어난다는 것을 '전자-양전자 충돌실험'을 통해 입증했다. 기존 실험에서 섞임 현상에 대한 힌트는 있었지만 단일 전자-양전자 충돌실험만으로 명확하게 규명된 적은 없었다.

반입자와의 섞임 현상에 대한 실험적 증거를 얻게 됨에 따라 앞으로 사라진 반물질의 근원에 대한 후속연구로 이어질 것으로 기대된다. 전자와 양전자를 빛의 속도에 매우 가깝게 가속시켜 서로 충돌시킨 후 발생하는 파편 가운데 매혹쿼크의 붕괴시간을 측정했다.

매혹쿼크 중간자는 자연스럽게 붕괴하는 반면 반입자는 예측하지 못하는 방식으로 붕괴되는 점에 착안해 이 두 붕괴방식의 비율을 측정한 결과 입자와 반입자의 섞임이 없을 가능성은 0.00005%로 나타난 것이다.

이번 연구는 고려대 물리학과 고병록 박사가 주도하고, 원은일 교수가 교신저자로 참여했다. 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업의 지원으로 이뤄졌다. 국제학술지 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters) 최신호((논문제목 : Observation of mixing in collisions)에 실렸다.

고 박사는 "기존 연구를 뛰어넘어 단일 전자-양전자 가속기 기반 실험으로 매혹 중간자 섞임 현상을 발견한 연구"라고 설명했고 원 교수는 "최근 발견된 힉스입자의 특성을 정밀 측정할 수 있는 유일한 도구인 차세대선형가속기의 전 단계라고 할 수 있는 전자-양전자가속기를 활용한 것으로 관련 분야 국내 연구진 주도의 후속연구가 기대된다"고 강조했다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr