지난 3일 유럽입자물리학연구소(CERN)에서 미국 물리학자 새뮤얼 팅이 이끄는 연구팀이 우주의 25%를 차지하고 있는 암흑물질에 대한 이해의 단초를 발견했다고 발표했습니다. 팅 연구팀은 반물질로 이루어진 암흑물질의 단서를 찾기 위해 2011년 국제우주정거장(ISS)에 설치한 알파자기분광계(AMS)를 이용해 약 40만 개의 양전자를 포착함으로써 ‘우주 최대 미스터리’ 중 하나인 암흑물질을 비밀을 풀 수 있는 전기를 마련했습니다.

 

 

물리학을 공부하신 분들은 우주를 이루고 있는 것이 5%의 물질과 25%의 암흑물질, 70%의 우주에너지라는 것은 아실 것입니다. 이중에서 우주에너지는 양자요동 같은 것으로 설명이 가능한데 이번 글에서는 반물질인 암흑물질에 대해 다루고자 합니다. 우리가 보고 만지고 느끼는 모든 것들은 물질로 이루어져 있는데 이런 물질과 정반대의 성질을 갖는 것이 반물질이라고 합니다.

 

 

                        


                                                                                       

보통 물질의 기본 단위인 원자(더 쪼개면 기본입자와 소립자들이 나타난다)는 양성자와 중성자, 전자(-)로 이루어져 있습니다. 이에 비해 반물질은 반양성자와 반중성자, 양전자(+)로 이루어져 있습니다. 제가 힉스입자에 관한 두 개의 글에서 설명했듯이 물질과 반물질이 만나면 거대한 에너지를 남기고 소멸해버립니다.

 

 

물질과 반물질이 소멸되면 우리가 알고 있는 질량불변의 법칙이 깨지는 것이 아닌가 하는 의문을 가질 수 있지만 양자역학의 기본원리인 불확정성의 원리에 따르면 기본입자들은 중력에 영향받는 물질적 성질(위치)과 중력에 영향받지 않는 에너지적 성질(궤도)을 동시에 갖습니다. 따라서 물질과 반물질이 만나 소멸해도 에너지를 남기기 때문에 질량불변의 법칙(=에너지보존의 법칙)은 여전히 유효하다고 주장할 수 있습니다.

 

 

양자역학의 불확정성 원리에 따르면 물질과 반물질이 맞나 에너지로 변한다 해도 그 모든 것들을 이루는 기본입자의 수가 변하지 않기 때문에 질량불변의 법칙은 유효하다는 것입니다. 물질도 반물질도 에너지도 모두 다 기본입자로 이루어져 있기 때문에 물질적 성질로 존재하거나 에너지적 성질로 존재해도 같은 것이라는 주장인데, 소멸이란 단어에서 알 수 있듯 순수한 에너지만 남긴 채 입자로서는 더 이상 존재할 수 없다는 주장도 있습니다. 즉, 질량불변의 법칙도 완벽하지 않다는 뜻입니다(직접 보지 못해서 반박하기도 힘들다는 것이 물리학자들의 자랑거리다!). 

 

                      

                                              암흑물질로 이루어진 왜소은하


 

헌데 우주의 25%를 이루고 있는 암흑물질의 비밀을 푸는 것이 우주 탄생의 신비를 푸는 것과 연관이 있을까요? 브라이언 그린의 《우주의 구조》, 3권으로 이루어진 리처드 파인만의 《물리학강의》, 레너드 서스킨드의 《우주의 풍경》, 스티븐 호킹의 《시간의 역사》, 이강영의 《LHC, 현대 물리학의 최전선》 같은 책들을 보면 우주의 탄생은 빅뱅에 의해 이루어졌음을 알 수 있습니다. 



모든 기본입자와 가상입자들이 다차원적 에너지로 응축돼 있다가 임계점에 이른 순간 빅뱅을 일으키며 무한의 다차원적 공간, 즉 수없이 많은 우주를 창출했습니다(베타원리와 불확정성의 원리 때문에 특이점은 폭발할 수밖에 없다. 일종의 심층 비탄성 산란). 어쩌면 게이지장 이론과 힉스장 이론 등의 양자색역학에서 인문학적 상상력을 발휘하면 특이점의 형성과정도 설명이 가능할지 모릅니다, 블랙홀 연구에 획기적인 전기를 마련한 중력파의 검출에도 성공했으니. 

 

 

서로 같은 성질의 것들을 밀어내는 베타원리와 도플러 효과에 의해 우주는 모든 차원의 방향으로 팽창을 시작했습니다. 허블망원경이나 전파망원경으로 우주의 어느 곳을 살펴봐도 빅뱅의 순간 방출된 우주배경복사가 일정한 것을 알 수 있습니다. 쉽게 말하면 우주는 중심점이 없는 다차원적 팽창을 하고 있다는 뜻입니다. 어느 쪽에서 봐도 똑같은 팽창이 이루어지는 것을 알 수 있는데 이것이 아인슈타인의 상대성이론이 정립되는 근간으로 작용했습니다.

                   



                                                                                               

이처럼 우주는 모든 방위로 초대칭(우리가 상상할 수 있는 전후좌우상하의 개념을 넘어선 대칭, 쉽게 말하면 예측불가능한 대칭. 물리학은 너무 많은 것을 상상하게 만드는 것이 문제야!!)을 이루며 지금도 (제 똥배처럼) 팽창 중입니다. 인력과 척력으로 이루어진 질서정연한 뉴턴의 만유인력이 무력해지는 이유가 여기에 있는데, 이상한 것은 우주의 팽창이 끝나는 지점으로 보이는 지평선까지 우주 배경복사의 온도가 균일하다는 것입니다. 물질과 반물질, 우주에너지로 이루어진 우주가 아직도 팽창 중이라면 어떻게 우주의 모든 공간이 균일한 온도를 가질 수 있을까요?

 

 

게다가 아인슈타인의 상대성이론에 의하면 우주에서 빛보다 빠른 것이 없기 때문에 아직도 팽창이 안 끝난 우주의 공간들이 (곳곳에 관측되지 않아서 존재하지 않은 것으로 추정되는 온도계를 배치해두지 않았다면) 어떻게 균일한 온도를 유지할 수 있을까요? 빛보다 먼저 왔던 다차원적 과거의 기억 때문일까요? 우주가 빅뱅 이래 여전히 팽창 중이라면 우주의 끝이라는 지평선(차원 문제는 배제)까지 0.0001도까지 동일할 수 있단 말입니까? 혹시 신이 있어 우주의 온도를 미리 세팅해 놓고서 관측과 실험물리학자들을 골탕먹이는 것일까요?

 

 

여기서 우리는 두 가지 의문을 가질 수 있습니다(아무 생각이 없을 수도 있습니다). 우주가 빛(에 근접한) 속도로 팽창하면 어마어마한 공간이 생기는데 빅뱅 이전의 특이점에 모여 있던 기본입자(현재까지는 쿼크)의 수가 한정돼 있기 때문에 그 공간을 무엇인가 채워야 하지 않느냐는 것이 그 첫 번째입니다. 우주가 지금도 팽창 중이라면 새롭게 생겨난 공간과 우주의 끝이라는 지평선까지의 확인 불가능한 공간의 온도가 어떻게 균일할 수 있겠느냐는 것이 두 번째입니다.

 

 

첫 번째 의문은 우주를 이루고 있는 것이 5%의 물질과 25%의 반물질, 70%의 우주에너지로 이루어져 있다는 것으로 설명이 끝났습니다. 우리는 아직 우주가 팽창하면서 창출하는 공간의 25%를 채우고 있는 반물질의 정체를 밝히지 못했지만 양자역학을 비롯해 입자물리학, 천체물리학, 이론물리학 등등의 온갖 물리학들의 발견과 관측, 계산, 추론을 통해 반물질이 존재한다(존재해야만 한다)는 것을 분명하게 밝혀냈습니다(의심하지 않고 믿는 자에게 복이 있으리라). 

 

                       


                                                                                              

그런 반물질로 이루어진 우주의 어둠이 (빛이 통과하지 못하고 중력효과에 의해 굴절될 정도의 밀도를 가진) 암흑물질로 가득하다는 것을 알게 됐습니다. 만약 우주의 25%를 이루고 있는 암흑물질에 대해 확실히 알게 되면 우주 탄생의 비밀을 푸는데 거의 근접하게 됩니다(이 글을 쓸 때는 중력파가 관측되지 않았다). 앞에서 설명드렸듯이 우주에너지는 빅뱅을 일으킬 때 우주로 퍼져나간 배경복사와 양자요동에 의해 창출된 양자에너지에 의해 어느 정도 설명이 가능하기 때문입니다.

                       

                                                                                              

이번 팅 연구팀의 발표에 따르면 소립자 250억 개를 분광계로 끌어 모아 1년 반 동안 관찰했더니 전자와 양전자 80억 개가 충돌하면서 에너지를 방출하는 상쇄반응을 통해 “암흑물질의 입자는 수백 기가전자볼트의 질량을 갖는 것 같다”고 했습니다. 즉 원자를 이루는 기본입자들을 통해 물질의 생성에 대해 밝혔듯이 암흑물질을 이루는 가상입자들을 통해 반물질의 생성에 대해 밝힐 수 있게 된 것입니다(관측된 것이 너무나 미미해 확정적으로 말할 수 없는 부분은 논문에 담겨있지 않았을 테지만).  

                        

                  

                              양성자 충돌이 만든 두 개의 녹색 선이 힉스입자로 추정된다 

 

 

만약 힉스입자가 기본입자들과 충돌하며 모든 입자들에 질량을 부여하는 힉스장의 원리까지 밝혀져 이번 발견에 더해질 수 있다면 우주 창조의 비밀은 거의 다 풀린 것으로 볼 수 있습니다. 우주를 이루고 있는 물질과 반물질, 우주에너지의 비밀까지 밝혔는데 그 다음의 남은 몇 가지 비밀들(아인슈타인이 예언한 중력파가 대표적)이야 얼마든지 꿰맞출 수 있습니다.

 

 

실제로 파인만이나 호킹, 그린, 와인버그, 서스킨드 등의 책을 보면 빅뱅 이후 우주 탄생의 단계가 이미 정립된 상태입니다. 현대물리학의 거의 모든 연구들이 각 단계 별로 비어 있는 것들을 채워가는 과정이라고 보면 그리 틀린 말은 아닙니다. 최신의 끈이론과 풍경이론도, 중성미자를 발견했다고 호들갑을 떨며 빛보다 빠른 물질이 있다고 한 것도 이것과 관련이 있습니다.                      

 

 

지금쯤 신이 천지창조의 마지막 비밀까지 자신의 모습을 본 딴 유일한 존재인 인간에 의해 낱낱이 밝혀질 것 같아 두려움에 떨고 있을지도 모릅니다. 아니면 그것도 이미 우주 탄생 이전에 예정해둔 청사진을 찾아가는 인류 진화의 과정이라고 할 수도 있을 것입니다. 허면 이제 두 번째 의문이 남았습니다. 그것에 대해서는 한 숨 자고 나서 설명드려야 할 것 같습니다. 지금이 새벽 3시56분을 지나고 있어 정신이 오락가락합니다. 하루라도 더 살기 위해서 잠부터 자야 할 것 같습니다.




                                                                                                    사진 출처 : 구글이미지     





양성자가 충돌할 때 10의 25승 분의 1초 정도 존재했다가 사라지는 ‘힉스입자’가 우주를 이루고 있는 최후의 입자다. 우주의 모든 것을 창조한 입자들을 모아놓은 파인만의 표준모형의 마지막 빈자리가 이로써 채워진 것이다. ‘힉스입자’가 조물주의 원료인 ‘신의 입자’로 불리는 이유는 힉스입자가 다른 기본입자에게 질량을 부여하는 역할을 하기 때문인데, 이런 역할 때문에 무에서 유를 창조했던 신의 입자라고 불린다

 

 

 

 

전자의 질량이 거의 제로(몇 십억의 분의 1g도 안 된다)인 것에 비하면, '힉스입자'는 질량이 제로이면서도 물질의 성격을 띠는 유일한 기본입자다. 마치 입자(질량)와 파동(에너지)의 성격을 동시에 띠고 있는 빛과 어떤 면에서는 동일하다고 할 수 있다. 기본입자는 우주를 구성하고 있는 물질, 반물질, 암흑물질(우주의 23%를 차지)을 이루는 가장 적은 단위의 물질을 말한다(우리가 보는 우주는 전체 우주의 4%에 불과하다).

 

 

이에 비해 원자보다 작은 입자들이 계속해서 발견됨에 따라 가상입자라는 것이 생겼는데, 이는 기본입자 중에서 아직 존재의 유무가 밝혀지지 않았지만 양자역학인 계산이 성립하려면 반드시 존재해야 하는 기본입자를 말한다. 즉, 각각의 입자들이 반응해서 일어나는 현상이 무수히 많기 때문에 확률적으로 이런저런 성질을 지닌 가상의 입자가 있어야 설명이 가능한 현상들이 있다. 현대물리학이 아직 밝혀내지 못한 곳에 가상입자가 자리하고 있다는 뜻이다.

 

 

허면 질량이 제로인 힉스입자가 빅뱅의 과정(수십조 분의 1보다 짧다)에 만들어진 기본입자들에 어떻게 질량을 부여할 수 있을까? 힉스입자들이 모여 새로운 기본입자를 만들었다면, 0에다 0을 더하는 것이기 때문에 질량이 있는 입자들이 탄생할 수 없다. 실제로 태초의 탄생한 기본입자들은 질량을 갖고 있지 않다는 것이 현대물리학의 주장이다. 그렇지 않으면 특이점이라는 곳에 현재의 우주가 들어있을 수 없기 때문이다.    

 

 

 

 

이래서 나온 것이 힉스장이다. 아인슈타인이 양자역학의 서막을 열었지만 우주의 질서정연함을 부정하는 자신의 발견을 받아들일 수 없었던 것도 '필드(장)'라는 개념에서 나온다. 자석 주변에 금속가루를 뿌리면 일정한 형태의 모양으로 모여 있는 것을 볼 수 있는데, 이것은 자석에서 나와 금속가루에 영향을 미치는 자기장 때문이다. 아인슈타인은 우주가 이런 거대한 장에 의해 질서정연하게 이루어져 있다고 믿었다. 

 

 

마찬가지로 힉스장(게이지장의 역으로 볼 수도 있다)도 힉스입자가 다른 기본입자들과 서로 부딪치고 교차하고 상호 영향을 주고받으며 물리적 반응(쿼크와 글루온 사이의 강한 상호 작용도 이렇게 탄생했다)을 일으키도록 만든다. 이런 과정에서 질량이 없는 기본입자들에 또 다른 입자들을 만들 수 있는 질량이 주어진다. 그 결과 원자를 이루는 양성자, 중성자, 전자가 탄생했다. 이런 원자들이 모여 분자를 이루면 비로소 물질으로서의 성질을 지니는 원소(주기율표에 등록된 것)들이 탄생한다. 

 


원자를 이루는 양성자와 중성자, 전자 등은 여섯 가지 성질을 지닌 쿼크와 보손(기본적인 물리적 힘을 전달하는 것으로 생각되는 원자 구성입자의 한 분류에 속하는 입자군으로 중력자(重力子), 광자(光子), 글루온(gluon), 중간벡터보손 또는 약자(弱子:W와 Z 입자 등이 있다) 같은 기본입자에 의해 만들어진다. 이중에서 중력자와 광자, 글루온 등은 기본입자의 움직임(에너지 덩어리인 광자의 분출에 의해 일어난다)과 결합을 유지하는 힘(양성자와 중성자를 묶어두는 힘을 말하는데 우주에 가장 강력한 힘으로 강한 핵력이라 하며, 이름은 글루온이다)을 지닐 뿐 질량은 없다.

 

 

이런 힉스장(이것은 또 어떻게 생겼을까? 에너지 준위와는 무엇이 다를까?)의 역할 때문에 힉스입자가 무에서 유를 창조했다는 소리를 듣는 것이며, 신의 입자라고 불리는 이유이다. CERN이 지하에 설치한 대형 검출기의 기본입자 충돌실험(심층 비탄성 산란이 일어난다)을 통해 힉스입자의 존재를 입증했기 때문에 고령의 힉스 교수가 노벨물리학상 수상할 수 있었다. 참고로 노벨상은 죽은 사람에게는 주어지지 않는다. 

 

 

 

 

힉스입자의 존재가 밝혀졌다고 해서 신의 창조론이 사라지는 것은 아니다. 다윈의 진화론도 오류들이 밝혀지고 있는 마당에 신의 창조론도 과학적 발견에서 홀로 고고하게 자유로울 수 없다. 하지만 한국의 대형교회와 구원파들이 보여주듯이 신의 영향력은 여전히 막강하다. 8월에 한국을 방문하는 프란치스코 교황(20~21세기를 통틀어서 최고의 교황이다)도 중세시대에 비하면 그 영향력이 형편없이 줄어들었다.

 

 

이론물리학은 대단히 철학적이어서 수학공식을 몰라도 얼마든지 도전할 수 있다. 특히 파인만이 정립한 표준모형(중성미자, 중력, 중력파, 암흑물질 등은 설명하지 못하지만)에 대한 이해만 확실하면 누구든지 이론물리학의 준전문가가 될 수 있다. 각각의 장, 즉 에너지 준위에 사용되는 스핀(양자역학적 물리량으로 전자와 광자의 값을 나타낸다) 같은 개념도 몇 번만 읽고 상상해보면 이해할 수 있다. 뉴턴역학과 상대성이론도 이론물리학적으로 접근하면 그리 어려운 개념도 아니다. 

 

 

필자가 추천하는 다음의 책들 정도면 이론물리학을 강의(비전문가를 상대로 한 낮은 수준의 강의)해도 될 만큼 충분한 지식을 가질 수 있다(그 이상을 원하면 《파인만의 물리학강의》 시리즈를 탐독하면 되는데 만만치 않다). 어려울 것이라 지레 겁먹을 

필요는 없다. 막상 도전하고 보면 '겨우 이 정도였어'라는 말이 저절로 튀어날 테니. 단, 힉스 입자의 발견에 따른 노벨물리학상이 힉스 교수에 주어지는 것에는 약간의 문제가 있다. 이번에 발견된 힉스입자는 대칭성이 깨지는 메커니즘을 발견한 것이지, 엄밀히 말하면 힉스 교수가 말한 힉스입자(힉스보존이 맞는 개념이다)는 아니다. 이에 대해서는 별도의 글로 올릴 생각이지만, 조금 시간이 걸릴 듯하다.

 

 

   



                                                                                                                                 사진 출처 : 구글이미지



  1. 태봉 2014.07.21 12:50

    좋은 책 소개해주셔서 감사합니다
    이 책들 모두 읽을 시간이 있을까나요?^^
    노력해 봐야겠네요 그리고 전 블로그 하지 않아요 할만한 실력도 없고..^^

  2. 소피스트 지니 2014.08.25 08:52 신고

    좋은 글이네요. 평소 입자물리학에 관심을 가지고 있는데. 오랜만에 웹문서에서 좋은 글을 본 것 같습니다.

    • 늙은도령 2014.08.25 15:21 신고

      입자물리학은 재미있는 분야입니다.
      특히 철학적 사고를 키워줍니다.
      과학과 철학이 함께 가야 하는데 요즘은 그게 안 됩니다.
      돈이 중간에 끼면서....

  3. 소피스트 지니 2014.08.25 15:32 신고

    맞습니다. 양자물리학으로 넘어오면서 과학과 철학의 경계가 모호해지게 됩니다.
    일반적인 사고로는 이해할 수준을 넘어서게 되지요.
    그래서 재밌습니다. 난해하지만.
    저도 한 10년 가까이 접한 분야이지만 그 놈의 돈이 우선이라.. ㅎㅎ
    철학적 사유를 힘들게 하죠.

  4. quelle 2019.07.13 22:26 신고

    반갑습니다. 개인적으로 양자역학과 이론물리에 관심 많은 청년입니다. 지금은 얽힘 이라는 책을 읽고 있었는데, 물리 지식이 영 없다보니 이해하기가 힘든 부분이 많더군요. 늙은도령님이 추천해 주신 책들도 읽어보려 합니다. 책 추천이 필요했는데 이렇게 우연히 만나게 됐네요! 감사합니다.

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