실재하는 우주의 대칭성…태초의 비밀 풀리나

유럽핵입자물리연구소 가장 무거운 반물질 대칭성 측정 성공 국내 KISTI 등 6개 기관 소속 연구원 25명 참여, 컴퓨팅 인프라 제공

물리학에서 '대칭성'이란 전하·공간·시간이 반전돼도 이와 상관없이 물리법칙이 통용되는 것을 말한다.

이는 세상이 무엇으로 어떻게 이뤄졌는지를 설명하는 이론인 '표준모형'의 기본 원칙이기도 하다. 표준모형 이론은 물질에는 반드시 그 물질과 질량 등의 물리적 성질은 같지만 전하만 반대로 띠는 반물질도 있다고 설명하고 있다.

대칭성을 확인하려면 물질입자와 반물질입자의 물리적 성질을 측정해 같음을 증명한다.

하지만 이를 위해선 반물질을 충분히 생성시킬 만큼의 고에너지 중이온(원자핵) 충돌, 이를 정밀하게 측정하는 고성능 검출기, 엄밀한 데이터분석 기술 등이 요구된다.

유럽핵입자물리연구소(CERN)는 최근 대형이온충돌실험(ALICE·A Large Ion Collider Experiment)을 통해 여기에 도전했고, 인류 역사상 가장 무거운 반물질의 물리량 정밀 측정에 성공했다. ALICE 실험은 강입자충돌기(LHC)에서 세계 최고 에너지 납이온(납원자핵) 충돌 실험이다.

CERN은 'ALICE 실험, 가벼운 원자핵과 그 반입자의 정밀한 비교에 성공하다'라는 제목의 발표를 통해 고에너지의 중이온(원자핵)끼리의 충돌은 반입자가 입자만큼 풍부했던 우주 탄생 직후와 비슷한 초고온, 초고밀도의 극한 환경(미니빅뱅)을 가능하게 한 ALICE 실험 성공을 알렸다.

연구진은 이 실험에서 입자-반입자의 짝인 중수소원자핵-반중수소원자핵 및 헬륨3워자핵-반헬륨3원자핵을 생성하고, ALICE 검출 장치의 거대 자기장 내에 남긴 궤적의 휘어진 정도, 입자 고유의 에너지 손실, 비행시간의 정밀한 측정 등을 통해 이들 입자와 반입자의 질량/전하량 비율을 정밀 비교했다.

그리고 비교 결과 중수소원자핵-반중수소원자핵, 헬륨3원자핵-반헬륨3원자핵의 질량/전하량 비율 사이에 사실상 차이가 없는 것으로 확인됐다. 이는 반입자들이 뭉쳐 반물질원자핵을 구성한 후에도 엄밀한 대칭성이 존재한다는 것을 의미한다.

이 연구에는 한국을 비롯해 전 세계 137개 기관이 대거 참여했다.

한국에선 부산대(유인권 교수)를 비롯해 강릉원주대, 세종대, 인하대, 연세대, 한국과학기술정보연구원(KISTI) 등 6개 기관 소속 연구원 25명이 참여했다.

KISTI는 보유하고 있는 CERN 최상위 데이터센터(티어-1, Tier-1)를 통해 필요한 데이터 보관·분석용 컴퓨팅 인프라를 제공, 실험 성공에 기여했다.

연구 결과는 물리학 분야에서 세계 최고 권위를 인정받는 학술지 네이처 피직스지 온라인판 8월17일자에 실렸다.

한국 연구진 대표인 유인권 교수는 “기본 입자들은 물론, 기본입자들이 모여 만든 원자핵에도 반물질인 반원자핵과 엄밀한 대칭성이 나타난다는 사실은 실재하는 우주의 대칭성을 강력히 시사하는 것”이라며 “이번 결과는 우리 연구진이 주도적으로 참여하는 내부궤적장치의 업그레이드 중요성을 다시 한번 알려준다. 앞으로 더 중대한 실험적 결과가 기대된다”고 했다.

유 교수는 또 “KISTI의 티어-1 센터의 기여는 CERN 중요 실험인 ALICE에서 우리 과학기술이 국제적으로 얼마나 중요한 역할을 하는지 보는 사례”라고 덧붙였다.

최두선 기자 cds0817@