아직도 풀어야 할 신비 현상이 난무하는 우주. 우주를 구성하는 물질에 대한 연구는 하늘을 꿈꿔 온 과학자들의 오랜 숙원이다. 아직도 파헤쳐야 할 것들이 많지만 지금까지 진행된 연구에 의해 우주를 구성하는 기본입자가 쿼크(quarks)와 경입자(leptons)로 구성돼 있는 것을 확인했다.
쿼크와 경입자에 대한 연구는 우주의 기원과 특성을 파악하는 데 가장 기초적인 단계로 분류된다. 힉스(Higgs)입자의 발견과 더불어 쿼크계의 섞임, 진동 현상과 경입자 일부의 진동 현상은 우주를 이루는 기본입자의 상호작용을 이해하는 데 매우 중요한 역할을 하는 것이다.


충돌실험으로 매혹쿼크 중간자 섞임 규명




쿼크 중 매혹쿼크와 다른 쿼크는 매혹중간자라는 일종의 양자상태를 형성한다. 더불어 짧지만 유한한 수명을 갖고 시공간에 존재한다. 매혹중간자는 유한한 수명을 갖기 때문에 이론적으로 양자상태가 진동해 반양자상태로 전이할 수 있다. 하지만 전자-양전자 충돌 환경에서는 아직 발견된 바가 없는 상태다. 정황적 힌트는 있지만 실험적 명확도가 충분하지 않아 전자-양전자 단일 실험에 의한 발견은 아직 이뤄져 있지 않다는 게 학계의 중론이다.
이런 가운데 국내 연구진이 충돌실험을 통해 우주를 이루는 기본입자가 반입자와 섞이는 현상을 규명해 주목을 받고 있다. 고병록 고려대 물리학과 박사가 주도하고 원은일 고려대 교수가 교신저자로 연구를 진행, 우주 생성초기에 기본입자와 짝을 이루며 존재했지만 이제는 사라지고 없는 반물질의 행방에 대한 실마리를 푼 것이다. 해당 연구결과는 그 성과를 인정받아 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’(Physical Review Letters) 최신호에 게재되기도 했다.
“현대 입자물리학 이론과 실험에 따르면 기본입자에는 항상 대응되는 반입자가 있습니다. 반입자는 질량 등의 모든 성질이 입자와 같지만 반대 전하를 갖는다는 차이점이 있어요. 우주 생성 초기에는 반입자로 이뤄진 반물질이 물질과 같은 양으로 존재했지만 현재는 물질만 존재하는 것으로 관측되고 있죠. 반물질 행방에 대한 질문은 과학에서 가장 중요하게 던지는 질문 중 하나로 이에 대한 연구는 많은 과학자들 사이에서 중요하게 여겨졌습니다.”
우주를 이루는 기본입자인 매혹쿼크 중간자는 반입자와의 뒤섞임 가능성 때문에 각국 연구진이 증거를 찾으려고 부단히 애를 썼다. 하지만 전자-양전자 충돌 데이터로는 결정적인 증거가 부족한 상황이었다.
“우리 연구팀은 매혹쿼크 중간자와 그 반입자와의 섞임 현상이 99.9999% 이상의 신뢰성을 갖고 반드시 일어난다는 사실을 전자-양전자 충돌실험을 통해 입증했습니다. 충돌실험이란 전자와 양전자를 빛의 속도와 매우 가깝게 충돌시킨 후 이때 나오는 파편입자들의 운동량이나 에너지 등을 정밀하게 측정하는 실험을 말합니다. 기존 실험에서 섞임 현상에 대한 힌트는 있었지만 단일 전자-양전자 충돌실험만으로 명확하게 규명된 적은 없었어요.
우리팀이 해당 연구를 성공적으로 이끌 수 있던 것은 이 부분을 본격적으로 연구하기 시작한 시점에 많은 데이터가 모였다는 점도 크게 작용했어요. 또한 세계 각국에서 경쟁적으로 연구한 분야에 저희들만의 아이디어가 실제로 작용을 했다는 점도 들 수 있죠.”
이러한 실험에 의해 원은일 교수팀은 매혹쿼크 중간자가 자연스럽게 붕괴하는 반면 반입자는 예측하지 못하는 방식으로 붕괴된다는 것을 알수 있었다. 이러한 두 붕괴방식의 비율을 측정한 결과, 입자와 반입자의 섞임이 없을 가능성은 0.00005%로 나타났다.


“방대한 데이터 분석하느라 애 좀 먹었죠”




“에너지가 매우 높은 LHC 실험과 달리 본 전자-양전자 실험은 아주 많은 알갱이의 전자-양전자 충돌을 하는 실험이에요. 좀 더 쉽게 설명하자면 불빛을 예로 들어 빛의 밝기가 매우 높다고 할 수 있겠네요. 이러한 유일한 환경에서 실험이 수행됐다는 점이 다른 연구와 다른 점이라고 할 수 있죠.”
지금까지 진행된 지속된 연구노력과 아이디어가 만나 시작된 연구. 하지만 그 과정가운데에도 어려움은 분명 존재했다. 무엇보다 방대한 실험 데이터를 분석하는 것은 인내에 인내를 요구하는 작업이었다.
“실험을 진행하면서 데이터 양이 정말 방대해졌어요. 그것을 모두 분석하는 데만도 만만치 않은 시간이 걸렸죠. 연구를 하며 가장 어려웠던 점은 인내력을 갖는 것이었습니다. 더불어 우리 연구팀의 새로운 방법을 전체 실험 그룹에 소개하고 허가를 받는 것 역시 어려웠던 기억 중 하나예요.”
원은일 교수팀의 이번 연구는 기초연구 중에서도 가장 순수한 기초연구라고 할 수 있다. 때문에 응용연구에 밀려 빛을 보지 못하는 국내 기초연구 분야에서 명실공히 세계적 수준의 연구성과를 이뤘다는 점에서 주목을 받는다.
“이번 연구로 한국 그룹이 매혹중간자 연구에서 세계적 수준으로 올라 서게 됐습니다. 이를 바탕으로 반물질이 사라진 이유에 대한 연구를 좀 더 깊게 연구할 수 있을 것이라고 기대하고 있어요. 우리 연구팀은 지난 2008년 부터 8년 동안 꾸준한 연구 끝에 올해 이르러 드디어 섞임 현상을 규명했어요. 그 결과 저희 물리학자들이 가장 중요시 여기는 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스’(Physical Review Letters)에 연구결과를 발간하게 됐죠. 개인적으로는 이 사실이 매우 자랑스럽습니다. 특히 어려운 연구 환경에서도 해당 연구를 주도적으로 이끈 고병록 박사가 고생이 많았죠.”
원은일 교수팀은 앞으로 매혹중간자 덩어리에서 CP 깨짐 현상이 어떤 방식으로 일어나는지 지속적인 연구를 수행할 예정이다.
“연구에 사용된 벨 검출기는 2010년에 실험이 종료됐지만 현재 그 성능을 대폭 향상시킨 벨2 검출기가 건설 중에 있어요. 앞으로 2015년 경에 실험을 시작해 벨 검출기가 보유했던 데이터보다 50배 가량 더 많은 데이터를 수집할 예정입니다.”