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우주 생성 초기에 기본입자와 짝을 이루며 존재했다가 지금은 사라지고 없는 '반물질(anti-matter)'의 행방에 대한 실마리를 국내 연구진이 찾아냈다. 우주를 이루는 기본입자에는 전하만 반대이고 나머지 성질은 같은 반입자가 있다. 우주 생성 초기에는 반입자로 이뤄진 반물질이 물질과 같은 양으로 존재했다. 그러나 지금은 물질만 남아 있는 것으로 관측된다. 반물질의 행방을 찾는 것은 과학에서 던지는 가장 중요한 질문 중 하나다.
3일 미래창조과학부에 따르면 고려대 물리학과 고병록(사진) 박사가 주도하고 원은일 교수가 교신저자로 참여한 연구에서 우주를 이루는 기본입자가 그의 반입자와 섞이는 현상이 충돌실험으로 규명됐다. 우주를 이루는 기본입자의 하나인 '매혹쿼크 중간자(charm quark meson)'는 반입자와 뒤섞임 가능성이 있어서 세계 연구자들이 그 증거를 찾으려고 노력하고 있다
고려대 물리학과 연구팀은 전자-양전자 가속기를 이용해 전자와 양전자를 빛의 속도에 가깝게 가속시켜 서로 충돌시킨 후 발생하는 파편 가운데 매혹쿼크의 붕괴시간을 측정했다. 우주생성 초기의 상태를 가정하고 실험한 것이다.
실험결과 매혹쿼크 중간자는 자연스럽게 붕괴하는 반면 반입자는 예측하지 못한 방식으로 붕괴됐다. 이를 이용해 붕괴방식의 비율을 측정한 결과 매혹쿼크 중간자와 반입자가 한 상태에서 다른 상태로 바뀔 가능성이 99.9999% 이상으로 높다는 것을 입증했다. 우주 생성 초기에 존재했다가 사라진 반입자로 이뤄진 반물질의 행방을 추정할 수 있는 실마리가 될 수 있다.
이번에 연구한 매혹쿼크는 6개의 쿼크 중 하나로 매혹 중간자라는 일종의 양자상태를 형성한 후 짧은 시간 자연상태에 존재한다. 쿼크는 우주가 만들어진 빅뱅을 설명하고 물질을 구성하는 기본입자를 밝혀내는 열쇠를 쥐고 있다. 물질을 쪼개면 분자, 원자, 핵자, 쿼크로 작아지는데 원자의 크기가 10㎞라면 쿼크는 0.1㎜ 정도로 작다.
고 교수는 "이번 연구를 통해 새로운 방식으로 힉스입자의 특성을 정밀 측정할 수 있게 됐다"며 "지속적인 연구가 이뤄진다면 힉스입자의 존재를 예측하는 기존의 표준모델을 뛰어넘을 수 있는 새로운 물리현상도 찾아내는 것도 기대할 수 있다"고 설명했다. 그는 또 "우리가 아는 우주는 전체의 4% 밖에 안 되고 나머지 96%는 미지의 세계"라며 "이번 연구를 통해 우주 생성 초기에 존재했다가 지금은 사라지고 없는 반물질과 우주에 대해 새롭게 접근할 수 있는 방법이 추가됐다고 본다"고 덧붙였다.
