바리온수(중입자) 보존과 반물질의 수수께끼

Categories: 이동용

Baryon Conservation & Antimatter Mystery

우주에 보이는 모든 것은 물질이다. 물질은 원자로 이뤄졌는데 원자는 가운데 원자핵과 그 핵을 돌고 있는 전자로 구성되었다. 여기서 원자핵은 다시 양성자와 중성자가 강력하게 결합된 구조이다. 그리고 지금까지 개발된 다양한 가속기들을 통하여 원자핵을 양성자와 중성자로 나눌 수 있었고, 또 분리된 양성자를 더 작게 쪼개는 실험으로 양성자빔을 만들고 이 빔들을 가속시키고 서로 충돌시켜 쿼크(quark)라는 아원자(subatomic particle, 원자보다 작은 입자 혹은 원자를 구성하는 기본 입자)들을 만들어냈다.

지금까지 입자물리에서 발견되었거나 이론으로 추측하는 모든 입자는 기본입자와 이들의 조합으로 이뤄진 합성입자로 구분한다. 기본입자는 물질을 구성하는 가장 작은 입자들이다. 이 기본입자는 스핀값(양자역학에서 입자의 회전정도를 나타내는 고유한 각운동량)에 따라 보손(Boson)과 페르미온(Fermion)으로 구별한다. 먼저 보손은 스핀값이 정수이다. 한편 표준모형에서 페르미온의 스핀값은 반정수(1/2)이며 각 페르미온 입자에 대응하는 반입자가 존재한다. 그리고 페르미온 입자는 다시 강한 상호작용을 설명하는 이론에 따라서 쿼크와 경입자(Lepton)로 나뉜다.

기본입자 현재 실험에서 기본 입자는 쿼크와 경입자(렙톤) 및 보손이다. 오늘날 과학자들이 제시하는 표준입자모델은 쿼크입자 6개와 그들을 힘으로 매개해 주는 입자 2개, 경입자(렙톤) 6개와 역시 힘으로 이들을 연결하는 입자 2개로 모두 16개 입자들이다. 그리고 질량을 결정해 주는 또 다른 입자로 소위 마지막 입자로 알려진 힉스입자 (Higgs boson)이다.

이렇게 표준모델에서 제시하는 기본입자들은 모두17개 이다. 하지만 지금까지 계속되는 실험을 통해서 수십 가지 입자들이 더 발견되었고 또 이론으로 예측하는 입자들까지 포함하면 더더욱 많다. 이렇게 많은 종류의 입자들이 모두 양성자로부터 나온 것들이다. 양성자에서 나온 이 입자들을 설명하기 위해서 지금까지 많은 가설들이 세워지고 또 이를 확인하려는 많은 실험들이 진행되고 있다.

합성입자 합성입자는 기본입자인 쿼크들이 글루온과 결합하여 만들어진 비교적 무게가 있는 강입자(hadron)들이다. 강입자는 세개의 쿼크로 조합된 입자를 바리온(중입자), 하나의 쿼크와 하나의 반쿼크로 이뤄진 입자를 중간자(메손)로 구분한다.

원자핵을 구성하는 양성자와 중성자가 바리온(중입자)들이다. 양성자는 그림3과 같이 두개의 쿼크(up)들이 또 다른 쿼크(down)와 글루온으로 결합되어 있다. 반면에 이와 짝이 되는 반양성자(antiproton)는 두개의 반쿼크(up)와 또 하나의 반쿼크(down)로 이뤄진다. 이렇게 쿼크와 반쿼크들이 같은 방식으로 조합된 중성자와 반중성자를 포함한 중입자들이 모두 합성입자들이다.

바리온(중입자)수의 보존합성입자에 대한 흥미로운 사실은 바리온(중입자)수가 보존된다는 점이다. 바리온(중입자)수는 쿼크의 수로 결정된다. 하나의 쿼크는 바리온수가 1/3이고 반쿼크는 바리온수가 -1/3이다. 따라서 세 개의 쿼크로 이뤄진 바리온(중입자)은 바리온수 1이고 하나의 쿼크와 반쿼크 하나로 이뤄진 중간자(Meson)는 바리온수 0이다. 물론 쿼크 이외의 모든 기본입자는 바리온(중입자)수가 0이다.

실제로 핵반응시 바리온(중입자)의 수는 불변한다. 이를 바리온(중입자)수 보존이라고 하는데 핵반응 전후의 바리온(중입자) 수가 동일하다.

그런데 바리온(중입자)수 보존이 왜 문제인가? 그 이유는 이 법칙이 빅뱅의 가설을 지지하지 않기 때문이다. 빅뱅이론은 우주가 대폭발 직후 짧은 순간 순수 에너지 덩어리로 확장되고 그 후 고에너지 전자기파로 응축하는 일련의 양자파동(quantum fluctuation)으로 시작되었다는 가설이다. 이 과정에서 고에너지 전자기파들이 동일한 숫자의 바리온(중입자)들과 부바리온(antibaryon) 입자들을 만들어 냈다는 것이다. 이것이 소위 쌍-생성과정(pair production)인데 양쪽의 반응으로 전체 총 바리온(중입자) 수는 0이다.

이는 실제 실험으로 우리가 볼 수 있는 입자(물질)를 생성시킬 경우에 양의 바리온(중입자)과 반바리온(혹은 반물질)이 같이 생성되어서 전체 바리온수가 0이 된다는 뜻이다. 또 바리온 입자인 양성자와 부바리온 입자인 반양성자가 서로 접하면 이들은 두 개의 고에너지 광자로 소멸하게 된다. 그런데 실제의 우주는 양성자와 중성자 같은 바리온(중입자)들로 구성된 눈에 보이는 물질이 가득하다. 왜 바리온(중입자)수가 보존되는 것일까? 이점이 오늘 날 빅뱅 우주론의 큰 문제이다. 하지만 성경의 관점에서 보면 이는 우주가 둘 중에 하나로 만들어진 의도적인 디자인임을 가르쳐 준다.

반물질의 수수께끼
반바리온 또는 반물질(antimatter)이라고 하면 공상과학 이야기 같다. 하지만 실험에서 확인된 실재이다. 하나의 반물질 입자는 정상적인 물질과 동일한 질량을 가진다. 단지 전기적 전하가 반대이다.

진화과학자들은 빅뱅의 결과로 물질과 반물질이 동일하게 생성되었고 오늘날에도 그 잔재가 우주 어딘가에 있다고 믿는다. 지금까지 관측되지 않았지만 우주 끝 어딘가에 반물질이 있다는 주장이다. 주목할 점은 반물질과 물질이 공존할 수 없으며 이들이 함께 하면 물질이 소멸되는 동시에 특유의 고에너지 고주파(감마)선을 방출한다. 그런데 이 우주에 잔류하는 반물질은 물론이고 고에너지를 방출하는 어떤 은하계도 관측된 바 없다. 물론 학자들은 비대칭성 이론으로 정상의 물질과 반물질의 불균형을 설명해 보려고 하지만 이는 확인되지 않은 가설들일 뿐이다.

오늘도 많은 과학자들이 물질의 기원에 대하여 도전하고 있다. 하지만 이들은 물질의 근원에 대한 답을 찾기 보다는 오히려 미시계의 복잡함과 신비한 조화를 발견하고 이를 연구하고 있음은 매우 흥미롭다. 자연주의는 간단한 물질로부터 복잡한 물질로 스스로 진화해 간다고 생각한다. 그러나 이제까지 연구결과를 볼 때 아무리 작고 간단한 입자라도 저절로 생겨날 수 없으며, 또 미립자 물질세계는 우연과 저절로의 관점으로 설명할 수 없는 필연적인 질서와 조화를 보여 주고 있다. 질서와 조화는 저절로 만들어 질 수 없는 지혜의 소산이다. 최첨단 연구 덕택에 오늘도 우리는 하나님 창조의 신비와 지혜를 더욱 실감하고 있는 것이다.

“깊도다 하나님의 지혜와 지식의 풍성함이여, 그의 판단은 헤아리지 못할 것이며 그의 길은 찾지 못할 것이로다” (롬11:33)


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