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	‘앨리스’의 이상한 나라
	빅뱅 직후인 137억 년 전 우주 재현한다

| 글 | 이창환 부산대 물리학과 교수, 권영준 연세대 물리학과 교수, 박성찬 서울대 물리학과 BK21 연구원 ㆍclee@pusan.ac.kr, yjkwon63@yonsei.ac.kr, spark@phya.snu.ac.kr |

좀 이상한 나라가 있다. 여기 ‘주민’들에게는 사칙연산의 덧셈 법칙이 적용되지 않는다. 가령 1+2=62.7이라는 셈을 한다. ‘몸이 멀어지면 마음도 멀어진다’는 말도 이곳에서는 통하질 않는다. 거리가 멀어질수록 서로를 원하는 힘은 오히려 더 강해진다. 물리학자들은 이곳을 ‘앨리스의 이상한 나라’라 부른다.

쿼크와 글루온을 해방시켜라

ALICE 검출기에서 무거운 납 원자핵이 충돌한 뒤 다양한 입자로 붕괴하는 장면을 시뮬레이션했다. 이 실험은 빅뱅 직후 우주에 존재한 쿼크-글루온 플라스마라는 물질 상태를 만들도록 설계됐다.

사실 ‘앨리스’는 거대강입자가속기(LHC)의 검출기 중 하나다. 앨리스(ALICE, A Large Ion Collider Experiment)는 길이 26m, 높이와 폭이 각각 16m로 무게만 1만t에 이르는 거대한 기기다.

앨리스에서는 납 원자핵을 빛 속도의 99%로 가속시킨 뒤 충돌시켜 태양 중심보다 10만 배나 뜨거운 상태를 만든다. 현재 29개국 86개 기관에서 1000여 명의 연구자가 참여하고 있으며 국내에서도 강릉대, 부산대, 세종대, 연세대 연구진이 참여하고 있다.

앨리스가 ‘이상한 나라’가 된 이유는 쿼크와 글루온이라는 입자 때문이다. 지구의 모든 물질은 산소, 질소, 철 같은 원자로 이뤄져 있다. 원자 중심에는 원자핵(양성자와 중성자로 구성)이 있고 그 주위를 전자가 도는데, 원자 질량의 99.9%는 원자핵이 차지한다. 그래서 우리가 알고 있는 물질의 질량 대부분은 양성자와 중성자에서 나온다.

양성자와 중성자는 쿼크라는 더 작은 입자로 이뤄진다. 양성자는 위쿼크 2개, 아래쿼크 1개로, 중성자는 위쿼크 1개, 아래쿼크 2개로 구성된다. 덧셈 법칙에 따르면 쿼크의 질량을 더하면 양성자나 중성자의 질량이 나와야 한다. 그런데 지금까지 연구결과로는 쿼크가 양성자(또는 중성자) 질량의 약 200분의 1에 불과하다. 쿼크 3개를 더해도 양성자(또는 중성자) 질량에 턱없이 부족한 셈이다. 왜 그럴까.

쿼크들 사이를 묶어주는 힘을 *강력이라고 부른다. 강력은 글루온이라는 입자를 주고받는 과정에서 전달된다. 결국 물질의 질량은 쿼크와 글루온의 상호작용으로 만들어지는 셈이다. 문제는 쿼크와 글루온이 양성자와 중성자 안에 갇혀 산다는 것. 게다가 이들은 경험적인 상식과 달리 거리가 멀수록 서로 당기는 힘이 커진다. 이 때문에 양성자나 중성자 안에 있는 쿼크를 떼어내기가 매우 힘들다.

어떻게 하면 이들을 양성자와 중성자 밖으로 끌어낼 수 있을까? 서로의 거리를 가깝게 만들어 당기는 힘을 약하게 만드는 방법이 현재로선 유일하다. 앨리스에서 납 원자핵을 빠른 속도로 충돌시키면 그 순간 쿼크들 사이의 거리가 가까워지고 서로 당기는 힘이 작아져 양성자나 중성자의 속박에서 벗어나 자유롭게 돌아다닐 수 있다. 이 상태를 쿼크-글루온 플라스마라고 부른다.

물리학자들이 굳이 쿼크-글루온 플라스마를 만드는 이유는 질량의 근원을 찾기 위해서다. 쿼크-글루온 플라스마는 온도가 내려가거나 밀도가 낮아지면 쿼크들이 다시 뭉쳐 양성자나 중성자를 만든다. 앨리스 실험에서 이 과정을 포착한다면 지구 질량의 99.9%를 차지하는 양성자와 중성자, 나아가 모든 물질의 질량 근원을 설명하는 새로운 단서를 찾을 수 있다.

쿼크-글루온 플라스마는 우주의 비밀을 푸는 열쇠도 쥐고 있다. 지금 이 시각에도 우주에서는 무수히 많은 입자들이 지구를 향해 날아오고 있다. 이 입자들을 우주선(cosmic ray)이라 부르는데, 대표적인 입자가 양성자다. 양성자들 중에는 빛 속도의 99.99%로 지구를 향해 돌진하는 녀석들도 있다. 이들이 지구 대기에 있는 원자핵과 충돌한다면? 앨리스 실험에서 입자를 가속시켜 충돌시키는 실험과 같은 현상이 나타난다. 우리 머리 위 하늘에서는 쿼크-글루온 플라스마가 형성됐다 사라지기를 반복하고 있는 셈이다.

특히 빅뱅 이론에 따르면 우주 초기에는 온도가 아주 높았을 것으로 예상된다. 빅뱅 이론에서는 어마어마한 에너지를 가진 아주 뜨겁고 작은 한 점이 폭발한 뒤 팽창하면서 식어 현재 약 3K(약 -270℃)이라는 차가운 우주가 형성됐다고 본다.

앨리스 실험에서 구현하려는, 태양 중심보다 10만 배나 높은 온도는 바로 빅뱅 직후 100만분의 1초가 경과한 초기 우주(약 137억 년 전)의 온도와 같다. 빅뱅 직후 초기 우주에서도 쿼크-글루온 플라스마가 만들어진 셈이다. 이 때문에 앨리스 실험을 ‘미니 빅뱅’이라고 부르기도 한다. 앨리스 실험에서 쿼크-글루온 플라스마에 대한 의문이 풀리면 초기 우주에 관한 미스터리도 함께 해결된다.

블랙홀에 관한 단서도 잡을 수 있다. 은하 내부에는 중성자별이라는 밀도가 아주 높은 별이 있다. 중성자별의 질량은 태양의 2배에 이르지만 반지름은 10여km밖에 안돼 별 전체가 하나의 거대한 원자핵이다. 만약 중성자별 두 개가 충돌한다면 어떻게 될까? 우주에서 거대한 입자들의 충돌 실험이 일어나는 셈이다.

중성자별이 충돌하면 은하 내부에 쿼크-글루온 플라스마가 만들어진다. 그리고 두 중성자별은 하나가 돼 블랙홀을 만든다. 이 과정에서 다양한 신호가 방출된다. 대표적인 예가 중력파와 감마선이다. 현재 세계적으로 중성자별이 충돌할 때 나오는 신호를 측정하기 위한 연구가 활발히 이뤄지고 있다.

물리학자들은 ‘앨리스의 이상한 나라’를 ‘여행’한다는 생각에 벌써부터 들떠 있다. 빅뱅 이후 초기 우주를 들여다보고 블랙홀의 비밀도 파헤칠 앨리스의 활약을 기대해보자.

강력*
자연계에서 입자들 사이에 작용하는 힘은 크게 4가지로 나뉜다. 중력과 전자기력,
약력(약한 상호작용) 그리고 강력(강한 상호작용)이다.

P r o f i l e
이창환 교수
서울대 물리학과를 졸업한 뒤 동대학원에서 중성자별에 관한 연구로 박사학위를 받았다. 미국 뉴욕주립대에서 연구원을 지낸 뒤 현재 부산대 물리학과 교수로 재직하며 중성자별과 블랙홀에 관한 연구를 진행 중이다. 우주의 비밀은 고정관념을 버리고 열린 마음을 가져야 밝힐 수 있다고.

세상에서 가장 비싼 ‘반물질’

CP 대칭성 깨짐과 입자 ‘맛’의 비밀

세상에서 가장 비싼 물질은 뭘까. 보석을 좋아하는 사람이라면 다이아몬드라고 말할 테지만 다이아몬드가 비싼 이유는 원석 자체의 값보다는 세공비가 비싸기 때문이다.

현재 세상에서 가장 비싼 물질은 ‘반물질’(anti-matter)이다. 1995년 유럽입자물리연구소(CERN)에서 수소의 반물질인 ‘반수소’를 처음으로 만드는 데 성공했을 때 들어간 비용을 계산해보니 반수소 10억분의 1g을 만드는 데 수조 원이 넘었다고 한다. 도대체 반물질이 뭐길래 그렇게 큰돈을 들여 만들고 연구하는 것일까? 여기에 대답하기 위해서는 먼저 우주의 구조를 살펴봐야 한다.

우리가 아는 것은 4.6%뿐

전자와 반전자, 양성자와 반양성자, 중성자와 반중성자. 우주 생성 당시 물질과 반물질은 같은 수만큼 있었지만 반물질이 먼저 소멸하거나 수가 극히 적어 지금 우주에는 물질만 남았다.

현재 우주는 정체를 전혀 알 수 없는 암흑에너지가 72%를, 암흑물질이 23%를 차지하고 있다. 우리에게 친숙한 원자, 분자 등으로 구성된 보통 물질로 이뤄진 부분은 전체 우주의 4.6%에 불과하다.

암흑에너지의 정체에 관해서는 알려진 사실이 거의 없으며 이에 관한 실험도 거의 이뤄지지 않고 있다. 그나마 암흑물질은 상황이 조금 나아 새로운 입자 몇 개가 암흑물질 후보로 거론되고 있고(초대칭입자도 그 중 하나다) 이를 찾는 실험도 세계 곳곳에서 이뤄지고 있다.

문제는 우리가 알고 있다고 생각하는 우주의 4.6%마저도 제대로 모른다는 점이다. 초기 우주의 형성과정을 설명하는 빅뱅 이론에 따르면 우주 초기, 물질이 나타나던 시기에는 물질과 반물질의 양이 균형을 이루고 있었다.

그런데 지금까지 관측 결과를 보면 우주의 4.6% 대부분이 반물질이 아닌 물질로 이뤄져 있다. 주위를 둘러봐도 모든 물체는 양성자, 중성자, 전자가 결합한 원자로, 원자들이 다시 결합한 분자로 구성된다. 이들의 반입자인 반양성자, 반중성자, 양전자는 찾아보기 힘들다. 물리학자들은 현재 우주에서 반물질의 양은 물질의 100억분의 1 정도에 불과하다고 추정한다. 우주 초기에 만들어진 반물질들은 전부 어디로 갔을까?

이에 대해 옛 소련의 핵물리학자인 안드레이 사하로프는 1967년 중요한 논문을 발표했다. 그는 핵무기 개발 연구에서 손을 뗀 뒤 옛 소련의 핵무기 개발과 인권 탄압에 저항하는 반체제 인권운동가로 활동하며 1975년 노벨 평화상을 수상한 인물로 유명하다.

하지만 물리학자들은 그의 1967년 논문 한 편을 노벨 평화상 못지않은 중요한 업적으로 평가한다. 그는 이 논문에서 우주 생성 당시 물질과 반물질이 같은 양으로 만들어 졌더라도 몇 가지 조건만 맞으면 점차 반물질이 없어지고 물질만 남을 수 있다는 가능성을 제시했다.

그 조건 중 하나가 ‘*CP 대칭성 깨짐’(Charge-Parity violation)이다. 결국 CP 대칭성 깨짐이라는 현상을 이해하는 일은 우리 우주의 4.6%라도 제대로 파악하기 위해서 반드시 필요한 조건이다. CP 대칭성 깨짐은 1964년 실험에서 처음 관측됐으며 곧 가동될 거대강입자가속기(LHC) 실험의 주요 임무 중 하나도 바로 CP 대칭성 깨짐을 증명할 유력한 단서를 찾는 일이다.

LHC 실험에서는 막대한 양의 입자가 생성되고 붕괴된다. 이 과정에서 CP 대칭성 깨짐 문제를 해결할 수 있는 반응이 나타날 가능성이 크다. 특히 LHCb라는 실험은 CP 대칭성 깨짐 문제를 연구하는 데 가장 유력한 단서를 제공할 것으로 예상되는 b쿼크를 집중적으로 찾기 위해 설계된 실험이다. LHC 뒤에 b가 붙은 이유도 ‘바닥’(bottom)을 뜻하는 b쿼크를 연구하기 때문이다.

입자는 무슨 ‘맛’?

한편 CP 대칭성 깨짐과 함께 LHCb 실험의 중요한 주제가 하나 더 있다. 입자의 ‘맛’(flavor)을 찾는 일이다. 사실 ‘맛’이란 단어는 쿼크 이론을 처음 제안한 미국 캘리포니아공대 머레이 겔만 교수와 그의 제자가 더운 어느 날 학교 인근의 베스킨라빈스 아이스크림 가게 앞을 지나다가 아이디어를 얻어 쓰기 시작했다.

현재 입자물리학의 표준모형에서는 우주의 모든 물질이 6종류(flavor)의 쿼크와 6종류의 경입자로 구성된다고 설명한다. 신기한 사실은 쿼크와 렙톤이 왜 하필 똑같이 6가지 ‘맛’으로 이뤄졌느냐는 점이다. 이 ‘맛’이 일정한 구조를 갖는다는 사실은 알아냈지만 왜 그런지 원인은 전혀 모른다.

물리학자들은 LHCb 실험으로 그 원인에 한 발짝 다가갈 수 있길 기대한다. 마치 멘델레예프가 주기율표에서 원소의 주기성을 발견했지만 주기성이 생기는 이유는 수십 년이 지나 양자역학이 완성되고 원자 구조를 이해한 뒤 설명할 수 있었던 것처럼 말이다. LHCb 실험에서 양자역학의 발견 같은 물리학의 혁명적인 발전을 이루는 계기가 마련될지도 모른다.

현재 일본 고에너지가속기연구소(KEK)의 ‘벨’(Belle) 실험에서도 CP 대칭성과 입자의 ‘맛’ 연구가 진행 중이다. 최근에는 LHC 실험에서 얻어질 새로운 물리 결과들이 CP 대칭성과 ‘맛’ 문제 해결에 중요한 단서를 제공할 가능성에 대비해 성능을 100배가량 개선한 ‘슈퍼벨’(Super-Belle) 실험을 준비 중이다. 이탈리아도 ‘슈퍼 B-팩토리’라는 이름으로 이와 비슷한 실험을 계획 중이다.

우주의 반물질들이 모두 어디로 사라졌는지, 그 미스터리가 풀릴 시간이 점점 가까워지고 있다.

P r o f i l e
권영준 교수
서울대 물리학과를 졸업한 뒤 미국 스탠퍼드대에서 입자물리학으로 박사학위를 받았다. 미국 로체스터대에서 연구원으로 재직한 뒤 1996년 연세대 물리학과 교수로 부임했다. 1997년부터 일본 KEK의 ‘벨’ 실험에 참여하고 있으며 ‘슈퍼벨’ 실험에도 참여할 예정이다.

CP 대칭성 깨짐*
CP 대칭성은 주어진 물리계의 입자들을 전부 그들의 반입자로 바꾸고(C) 동시에 그 물리계를 거울 속에 비춰 관측하는 경우(P) 그 물리계의 성질이 전혀 바뀌지 않음을 뜻한다. CP 대칭성 깨짐은 이 관계가 성립하지 않는다는 뜻. 1964년 미국 브룩헤이븐연구소의 과학자 4명이 처음 발견했다.

‘블랙홀 공장’짓는다

뜨겁고 수명 짧은 미니 블랙홀 생겨

지난 3월 미국 하와이주 수도인 호놀룰루 법원에는 이색 소송이 제기됐다. 물리학과 법학을 전공한 전직 공무원인 하와이의 월터 와그너와 스스로를 작가이자 시간이론 연구자라고 밝힌 스페인의 루이스 산초가 유럽입자물리연구소(CERN)를 상대로 거대강입자가속기(LHC) 실험을 당장 중지하라고 요구한 것.

이들은 LHC 실험에서 고에너지 입자가 충돌하면 조그만 블랙홀이 만들어질 것이며 결국 지구가 몽땅 그 속으로 빠져들어 멸망할 것이라고 주장했다. 과연 그럴까.

LHC가 소송 당한 이유는?

ATLAS 검출기에서 양성자가 충돌할 때 ‘미니 블랙홀’이 생성된 뒤 호킹 복사 과정을 거치며 순식간에 다양한 입자로 붕괴되는 장면을 시뮬레이션했다.

18세기 말 영국의 자연철학자 존 미첼은 뉴턴의 중력이론을 토대로 ‘너무 밀도가 높은 나머지 빛조차 빠져나올 수 없는 물체’, 즉 블랙홀이 우주에 존재할 수 있다고 생각했다. 프랑스 수학자 라플라스도 같은 아이디어를 그의 유명한 역학 교과서에 실었다.

20세기에 들어와 블랙홀은 더욱 각광받았다. 아인슈타인의 일반 상대성이론에서 중력장 방정식이 실제로 블랙홀이 존재할 수 있음을 의미한다는 사실을 칼 슈바르츠쉴트를 비롯한 천체물리학자들이 밝혔기 때문이다.

그 뒤 천문학자들은 이미 발견된 100여 개 이상의 천체가 블랙홀이라는 증거를 포착했으며 거대한 블랙홀이 우리 은하 중심을 비롯해 우주 곳곳에 흩어져 있다는 사실을 알아냈다.

미국의 이론물리학자 킵 쏜에 따르면 블랙홀을 만들기 위해서는 다음의 과정이 필요하다. 일단 질량 혹은 에너지를 모은다. 그리고 그 에너지에 해당하는 블랙홀 크기인 슈바르츠쉴트 반지름을 갖는 반지모양 고리를 상상한다. 만약 그 고리로 둘러싸인 공간 속에 전체 에너지가 고스란히 들어갈 수 있으면 블랙홀이 만들어진다. 간단히 말해 큰 에너지를 작은 공간에 모으면 블랙홀이 생긴다.

물리학자들은 LHC 실험에서 이런 상황이 생길 수 있음을 눈치 챘다. LHC 실험에서는 양성자가 각각 7TeV(테라전자볼트, 1TeV=10¹²eV)의 에너지로 가속된 뒤 충돌한다. 충돌할 때 최대에너지가 14TeV나 되는 셈이다.

이때 양성자를 이루고 있는 쿼크들과 이들을 묶어주는 글루온 입자들도 함께 충돌하는데, 만약 두 입자가 충돌하는 순간 입자 사이의 거리가 슈바르츠쉴트 반지름보다 작으면 블랙홀이 생긴다. 어마어마하게 큰 에너지를 가진 입자들이 순간적으로 어마어마하게 작은 공간에 가둬지기 때문이다.

그렇다면 LHC 실험에서 블랙홀이 얼마나 많이 만들어질까? 이 질문은 사실 양성자보다 크기가 작은 초미시세계에서 중력이 어떤 역할을 하느냐에 달렸다. 만약 초미시세계에서 중력이 거시세계와 정확히 동일한 역할을 한다면 LHC에서 블랙홀이 만들어질 가능성은 매우 낮다.

실제로 양성자와 비교하면 엄청나게 큰 길이인 1cm부터 지구와 태양 사이의 거리인 1AU(천문단위, 1AU=1.5×10¹¹m)까지 거시세계에서 실험과 관측으로 알아낸 내용에 따르면 중력이 강해지는 에너지 대역은 소위 플랑크에너지로 불리는 10¹⁹GeV(기가전자볼트, 1GeV=10⁹eV)에 이른다. 이는 LHC에서 도달할 수 있는 에너지보다 약 10¹⁶배나 많다. 따라서 중력은 LHC에서 무시할 수 있을 정도로 작은 영향만 미친다.

하지만 초미시세계에서 중력의 역할이 미미하다고 가정하는 초끈이론은 매우 흥미로운 가능성을 제시한다. 초끈이론에 따르면 우리가 살고 있는 우주는 실제로 11차원 또는 10차원이며 따라서 6개 혹은 7개의 ‘여분의 차원’(extra dimension)이 존재한다.

수명 10^-23초 ‘미니 블랙홀’

1990년대 중반 이와 관련해 흥미로운 사실이 밝혀졌다. 초끈이론에서 중력은 시공간의 기하학을 결정지으며 어느 방향으로나 전파되지만 자연계의 다른 힘들, 즉 전자기력, 약한 핵력 그리고 강한 핵력은 여분의 차원 방향으로 전파되지 못하고 부분 공간인 3차원 ‘막우주’(brane world)로만 전파되는 상황이 생길 수 있다는 것.

빛은 3차원으로만 퍼져나가는데 중력은 11차원으로 퍼져나가는 모습을 상상해보라. 만약 중력이 새나갈 수 있는 여분의 차원이 충분히 넓다면 중력은 전자기력에 비해 매우 약해질 수밖에 없다.

1990년대 말 물리학자들은 이런 아이디어가 실제로 ‘왜 중력은 다른 힘에 비해 터무니없이 약한가?’라는 의문에 답을 줄 수 있다는 사실을 발견했다. 그리고 만약 여분의 차원이 존재한다면, 또 그것이 관측된 중력 세기를 설명할 수 있을 정도로 크다면, LHC의 고에너지 입자 충돌 과정에서 강한 중력 효과가 발생할 것이며 그 결과 블랙홀이 생길 확률도 매우 높아진다. LHC가 ‘블랙홀 공장’이 될 수 있다는 이야기다.

호놀룰루의 소송 사건이 있기 수년 전부터 물리학자들은 LHC에서 ‘미니 블랙홀’의 물리학적 성질을 연구했다. 미니 블랙홀은 매우 뜨겁고 수명은 10^-23초보다 짧아 눈 깜짝할 사이에 붕괴돼 사라진다. 와그너와 산초의 걱정과는 달리 LHC에서 관측할 현상은 지구의 붕괴 대신 빠르게 붕괴하는 블랙홀이 내놓는 빛과 에너지이며, 이는 LHC에서 고스란히 인류에게 다가올 것이다. 앞으로 인류를 흥분시킬 물리학 발견의 순간을 기다려보자.

P r o f i l e
박성찬 박사
서울대 물리학과를 졸업하고 동대학원에서 박사학위를 받았다. 고등과학원 연구원을 지낸 뒤 미국 코넬대에서 연구원 겸 강사로 활동했다. 여분의 차원과 미니 블랙홀에 관한 연구로 100회 이상 인용된 논문을 발표했다.