우주생성시 존재했던 반물질의 행방에 대한 실마리 찾아
Physical Review Letters 연구결과 발표
전자-양전자 충돌실험 통해 매혹쿼크 중간자 섞임 규명
그 많던 반물질은 다 어디로 갔을까. 국내 연구진이 충돌실험을 통해 우주를 이루는 기본입자가 그 반입자와 섞이는 현상을 규명해냈다. 우주 생성초기에 기본입자와 짝을 이루며 존재했지만 이제는 사라지고 없는 반물질의 행방에 대한 실마리가 될 것으로 기대된다.
* 반물질(anti-matter) : 우주를 이루는 기본입자에는 전하만 반대이고 나머지 성질은 같은 반입자가 있다. 우주 생성 초기에는 반입자로 이뤄진 반물질이 물질과 같은 양으로 존재했으나 현재는 물질만 존재하는 것으로 관측되고 있다. 반물질의 행방에 대한 질문은 과학에서 가장 중요하게 던지는 질문 중 하나다.
이과대학 물리학과 고병록 박사가 주도하고, 원은일 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐고, 국제학술지 피지컬 리뷰 레터스지(Physical Review Letters) 최신호(3월 17일)에 게재됐다. (논문제목 : Observation of mixing in collisions)
우주를 이루는 기본입자의 하나인 매혹쿼크 중간자는 반입자와의 뒤섞임 가능성 때문에 각국 연구진이 그 증거를 찾으려고 애쓰지만 전자-양전자 충돌데이터로는 결정적인 증거가 부족한 상황이었다.
* 매혹쿼크 중간자(charm quark meson) : 우주를 이루는 기본입자인 6개의 쿼크 중 하나인 매혹쿼크와 다른 쿼크 2개가 뭉쳐진 계로 약 10-13 초 정도만 존재하다가 붕괴하는 양자상태
* 양자상태의 뒤섞임(mixing of quantum state) : 두 개의 양자상태가 한 상태에서 다른 상태로 전이하는 현상
연구팀은 매혹쿼크 중간자와 그 반입자와의 섞임 현상이 99.9999% 이상의 신뢰성을 가지고 반드시 일어남을 전자-양전자 충돌실험을 통해 입증했다. 기존 실험에서 섞임 현상에 대한 힌트는 있었지만 단일 전자-양전자 충돌실험만으로 명확하게 규명된 적은 없었다.
* 전자-양전자 충돌실험 : 전자와 양전자를 빛의 속도와 매우 가깝게 충돌시켜 나오는? 측정하는 실험
반입자와의 섞임현상에 대한 실험적 증거를 얻게 됨에 따라 향후 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 착안하여 이 두 붕괴방식의 비율을 측정한 결과 입자와 반입자의 섞임이 없을 가능성은 0.00005%로 나타난 것이다.
고병록 박사는 “기존 연구를 뛰어넘어 단일 전자-양전자 가속기 기반 실험으로 매혹 중간자 섞임 현상을 발견한 연구”라고 설명했다. 원은일 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 밝혔다.
< 용 어 설 명 >
1. Physical Review Letters 誌 : American Physical Society에서 발간하는 물리학 분야의 최고 권위 있는 저널이다. (2012년 JCR impact factor: 7.943)
2. 쿼크(quark) : 우주를 구성하는 가장 기본 입자 중 하나로 양성자 및 중성자 내부에 존재하고 전하는 전자 전하의 1/3 또는 2/3을 가짐
3. 차세대 선형 가속기 : 현재 학계에서 심도 있게 거론되고 있는 미래 전자-양전자 충돌 가속기 ○ 힉스입자의 특성을 정밀 측정하고 새로운 물리현상 탐색을 그 최우선 목표로 설정하고 있음.
< 그 림 설 명 >
▲ 그림 1. 원자와 쿼크의 모식도 원자(Atom, 노란색 큰 구) 내부에는 원자핵(Nucleus, 밝은 하늘색 구)이 있고 원자핵은 또 다시 양성자(Proton, 어두운 하늘색 구)나 중성자들(Neutron, 어두운 하늘색 구)로 이루어져 있다. 이 양성자 또는 중성자 내부에는 기본 입자들이 있고 이들을 쿼크(Quark, 붉은색 작은 구)라고 부른다. 결국 원자핵을 이루는 가장 기본이 되는 입자를 쿼크라고 한다.
▲ 그림 2. 전자와 양전자가 충돌하여 매혹 중간자를 만들어 내는 과정 (1,2) 왼쪽부터 전자와 양전자가 충돌하여 (3) 가상의 빛알 또는 Z 입자를 만들어 낸다. (4,5,6) 그 후 매혹 쿼크와 반매혹 쿼크 쌍이 만들어지고 (7,8,9) 시간이 지나면서 강 상호작용에 의해 두 개의 다른 쿼크 쌍이 생성되어 (10) 최종적으로 매혹 중간자 쌍이 형성된다.
▲ 그림 3. 매혹 중간자 붕괴 매혹 중간자 붕괴과정에서 올바른 부호와 틀린 부호 붕괴에 대한 비율을 전자-양전자 충돌 후 시간의 함수로 나타낸 그림. 불확정 직선이 있는 동그라미 점들은 데이터이고 점선은 양자상태 섞임이 없다는 가정을 나타냄. 실선은 양자상태 섞임이 있음을 보여주고 있음.
커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)