상대론적 중이온충돌기(RHIC)의 충돌시 생성된 입자의 궤적

'우주의 숨겨진 반쪽에 대한 해답을 찾아라'.

국내 연구진이 포함된 국제공동연구그룹(STAR 공동실험팀)이 지금까지 발견한 반물질 중 가장 무거운 헬륨4 원자핵을 발견했다. 부산대 물리학과 유인권(사진) 교수와 대학원생 오근수, 최경언 씨가 포함된 국제공동연구그룹은 미국 롱아일랜드 브룩헤이븐 국립연구소의 상대론적 중이온충돌기(RHIC) 실험을 통해 반물질인 헬륨4를 발견해 과학지 '네이처' 최신호에 발표했다. 이번 연구 성과는 우주가 탄생한 '빅뱅' 이후 초기 우주에 대한 가장 근원적인 의문들을 푸는 데 중요한 단서를 제공해 줄 것으로 기대되고 있다.

세계적인 베스트셀러 작가 댄 브라운의 소설 '천사와 악마'에는 '반물질 폭탄'이라는 낯선 무기가 등장한다. 적은 양으로 지구를 소멸시킬 수도 있는 이 폭탄을 막기 위해 주인공 랭던 교수는 바티칸에서 목숨을 건 사투를 벌인다. 유인권 교수팀을 비롯한 국제공동연구팀은 핵자당 200GeV와 62GeV의 고에너지를 이용해 금(金)핵과 금핵을 서로 충돌시켜 지금까지 인류가 발견한 반물질로는 가장 무거운 헬륨4 원자핵을 발견했다. 헬륨4 원자핵보다 무거우면서도 방사성 분열을 하지 않는 반물질 원자 핵종이 발견될 확률은 헬륨4 원자핵보다 100만 배 이상 희귀할 것으로 예측돼 앞으로 이보다 더 무거운 반물질 원자핵을 찾아내기는 어려울 것으로 보인다.

물리학의 가장 큰 수수께끼 중 하나는 '빅뱅(Big Bang)'으로 현재의 우주가 시작됐을 때 같은 양이 생성되었을 물질과 반물질 가운데 반물질은 사라지고 왜 오늘날의 세상은 오로지 물질로만 구성돼 있는가이다. 이번 RHIC 실험은 전자를 제거한 금핵들을 빛의 속도에 가깝게 가속해 서로 충돌시켜 우주 탄생의 순간인 빅뱅과 유사한 조건을 만드는 '미니 빅뱅' 실험이다. 실험 결과, 엄청난 에너지로 서로 충돌한 금핵은 충돌 시의 초고온으로 완전히 녹아 사라지고 물질의 가장 기본적인 소립자인 쿼크와 반쿼크가 거의 같은 양이 생성된 것이 확인됐다.

약 10억 번의 금핵-금핵 충돌에서 생성돼 검출기에 검출된 약 5000억 개의 입자 가운데 반물질 헬륨 원자핵으로 분명하게 식별된 것은 18개이다. 그런데 온도가 수조 도에 이르는 극한상태에서 반물질 헬륨4가 검출될 정도로 살아 남아 있을 시간은 이론적으로 수조분의 1초에 불과하다. 유인권 교수는 "충돌에서 반물질 헬륨4가 만들어져도 수명은 극히 짧을 것으로 예측됐는데 이번 실험에서 18개가 검출될 만큼 오래 남아있었다는 건 아직도 의문"이라며 "반물질 헬륨4의 발견은 우리 우주의 '반쪽'에 대한 의문을 푸는 데 중요한 단서가 될 것"이라고 말했다.


▶반물질(反物質·antimatter)

보통의 물질을 구성하는 소립자(양성자, 중성자, 전자 등)의 반입자(반양성자, 반중성자, 양전자 등)로 구성되는 물질을 말한다. 반물질은 물질과 만나면 극히 짧은 시간에 소멸하며 무거운 반물질일수록 더 불안정해 존재를 확인하기가 어렵다.