부산대 유인권 교수팀, 가장 무거운 반물질 원자핵 발견
유인권 교수
유인권 교수
“이 발견은 물질과 반물질 나아가서 초기 우주에 대한 가장 근원적인 의문들에 중이온충돌실험이 얼마나 중요한 단서들을 제공할 수 있는지를 보여주는 일이다” - William F. Brinkman (Director of the DoE Office of Science)
“가속기의 획기적인 변화나 완전히 새로운 메커니즘의 발견이 있지 않는 한, 반물질 헬륨4는 가장 무거운 반물질로 남게 될 가능성이 크다” - Steven Vigdor, Brookhaven's Associate Lab Director for Nuclear and Particle Physics
고온의 초기우주와 같은 극한적인 조건에서 생성된 반물질에 대한 연구는 대단한 의미를 갖는다. 물리학의 가장 큰 수수께끼 중의 하나는 현재의 우주가 빅뱅에 의해 시작될 때 같은 양으로 생성되었을 물질과 반물질 중에서 어째서 오늘날의 세상은 오로지 물질로만 구성되어 있는 것인지에 대한 의문이다. 지난해 동 STAR 실험팀이 밝혀낸 것과 같이 고에너지의 상대론적 중이온충돌실험은 우주 최초의 상태와 유사한 미니 빅뱅을 만들게 되는데, 이때는 실제로 물질의 가장 기본적인 소립자로 알려져 있는 쿼크와 반쿼크들이 거의 같은 양만큼 만들어진다. 이번에 발견된 반물질 헬륨4는 이 반물질들이 물질과 만나 소멸되기 이전에 안정적인 반물질 원자핵을 만들어 STAR 검출기에 검출된 것이다.
약 십억 번의 금핵-금핵 충돌로부터 생성되어 STAR 검출기에 검출된 약 5천억 개의 하전된 입자들 가운데, 반물질 헬륨 원자핵으로 분명하게 식별된 것은 불과 18개이다. 반물질 헬륨4 원자핵은 2개의 반물질 양성자와 2개의 반물질 중성자가 방사성붕괴도 하지 않게 안정적으로 결합된 것으로 전기적으로는 전자 2개 만큼인 -2가인 반면 그 질량은 거의 양성자의 4배(전자의 8천배)에 달한다. 검출된 데이터의 신호는 다른 동위원소들과 확실하게 구별되어 정확히 기대되는 질량에 분포한다.
또한 이번에 측정된 반물질 헬륨4의 생성률은 고에너지의 상대론적 중이온충돌 시 만들어진 쿼크와 반쿼크 스프로부터 반쿼크의 통계적 유착 모델에서 예측한 것과 대략적으로 일치하지만, 이 모델이 말하는 바대로 12개의 반쿼크가, 무려 수조 도에 이르는 극한상태로부터 급속도로 팽창하는 물질들의 한가운데에서 살아남아 있을 시간은 고작 수조 분의 수조 분의 1초에 불과하기 때문에 어떻게 무려 18개나 STAR 검출기 내에서 검출될 수 있었을까 하는 점은 여전한 의문으로 남는다.
이러한 반물질의 생성률을 알게 되는 것은, 우주에서 일어날 수 있는 완전히 새로운 현상들을 포함한 광범위한 과학적 탐구에 아주 중요하다. 예를 들어 2011년 4월에 예정되어 있는 스페이스셔틀이 운반해 국제우주정거장 (International Space Station)에 설치돼 우주로부터 날아오는 반물질을 탐색하게 될 AMS(Alpha Magnetic Spectrometer) 실험과도 직결되어 있다.
또한 2010년부터 본격적으로 가동하기 시작한 세계최대의 가속기인 스위스 소재 유럽핵입자물리연구소의 강입자충돌기(Large Hadron Collider : LHC) 에서는 미국의 상대론적중이온충돌기(RHIC) 보다 무려 수십 배의 에너지로 중이온충돌실험이 진행되고 있어 반물질의 발견에 또한 많은 관심을 더하고 있다. 더 높은 에너지에서 생성될 반물질들은 어떤 양상을 보여줄 지 주목받고 있다.
“반물질 헬륨4 원자핵의 발견은 러더퍼드의 알파입자를 금박에 산란시켜 원자핵의 존재를 알아낸 지 100주년에 이루어진 뜻깊은 일”이라고 STAR Collaboration의 주저자 중 한 사람인 브룩헤이븐국립연구소 연구원 Aihong Tang 박사는 소회를 밝혔다.
STAR Collaboration은 12개국의 54개 연구기관으로 구성되어 있으며, 미국의 에너지국(DoE)을 비롯한 세계 각국의 여러 연구재단으로부터 지원받고 있다. 한국의 부산대학교 연구진은 한국연구재단의 지원 하에 국내에서 유일하게 STAR 실험에 참여하고 있으며, 이번 Nature 논문에는 공저자로서 유인권 교수와 부산대학교 물리학과 대학원생 오근수, 최경언 씨가 참여했다.
웹사이트: http://www.pusan.ac.kr
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부산대학교 물리학과
유인권 교수
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