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간단히 말해서:
수십 년 동안 과학자들은 우주에 예상했던 만큼 많은 “반물질”이 존재하지 않는 이유를 궁금해해 왔습니다.
대형 강입자 충돌기라는 입자 가속기를 이용해 실시한 최신 관찰 결과는 그 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다.
다음은 무엇인가요?
연구자들은 이번 발견이 궁극적으로 우주에 대한 새로운 이론을 찾는 길을 열어줄 것이라고 말했습니다.
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과학자들은 현대 물리학의 큰 수수께끼 중 하나를 해결하기 위한 노력에서 또 다른 단서를 발견했습니다. 그 수수께끼는 바로 우주에 물질이 반물질보다 많은 이유입니다.
이번 발견은 세계 최대의 기계인 대형 강입자 충돌기를 통해 얻은 관찰 결과에 기반을 두고 있으며, 이를 통해 연구자들은 물질의 근본적인 본질을 탐구할 수 있게 되었습니다.
우리 주변에서 보는 모든 것은 양성자와 중성자와 같은 아원자 물질 입자로 구성되어 있으며, 이는 중입자라는 입자 범주에 속합니다.
스위스 CERN에 있는 거대 입자 가속기를 이용한 실험에서, 처음으로 중입자가 반물질보다 더 많은 물질을 형성한다는 사실이 확인되었습니다.
모나쉬 대학교의 물리학자이자 이 프로젝트의 공동 연구자인 톰 하다비자데는, 이번 연구 결과는 작은 입자들이 어떻게 상호작용하는지에 대한 우리의 이해를 바꿀 수 있으며 반물질이 존재하지 않는 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있다고 말했습니다.
하다비자데 박사는 “우리는 아직 새로운 물리학을 발견하지 못했지만, 이를 통해 새로운 탐구 방법을 얻게 되었습니다.”라고 말했습니다.
연구진은 그들의 연구 결과를 Nature 에 발표했습니다 .
사라진 반물질의 미스터리
입자 물리학의 현재 주요 이론인 표준 모형은 물질 입자가 형성될 때마다 그에 상응하는 반물질 입자도 형성된다고 예측합니다.
반물질 입자는 물질 입자와 동일하지만, 전하가 반대입니다.
과학자들은 대형 강입자 충돌기에서 큰 지하 루프 주변에서 고속으로 더 큰 입자를 충돌시켜 아원자 입자를 만들 때도 비슷한 양의 물질과 반물질이 생성되는 것을 관찰했습니다.
하지만 반물질은 오래 머물지 않습니다. 반물질이 일반 물질과 충돌하면 두 입자가 서로 소멸하면서 에너지가 방출됩니다.
표준모형에 따르면, 반물질과 물질이 실제로 같은 양으로 창조되었다면, 우주는 존재하지 않을 것입니다.과학자들이 반물질을 만드는 연구실
사진은 고대비 파란색과 자홍색 빛점으로 만들어진 여성 얼굴의 양식화된 그림을 보여줍니다.
인간에게 알려진 가장 폭발적인 물질의 비밀을 밝히면 우주의 존재 방식을 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다.
이 이론의 문제점은 우주가 실제로 존재하지만 대부분이 물질로 이루어져 있고 극소량의 반물질만 존재한다는 것입니다.
이 “물질-반물질 비대칭”은 물리학에서 아직 해결되지 않은 주요 문제입니다.
하다비자데 박사는 “우리가 이를 설명하는 방식은 초기 우주의 어느 시점에서 물질이 반물질보다 약간 더 선호되었다는 것입니다.”라고 말했습니다.
“대부분의 반물질과 물질이 소멸된 후에도 남는 작은 과잉이 있는데, 그 작은 과잉이 오늘날 우리가 보는 것입니다.”
그렇다면 물질과 반물질 사이의 이러한 비대칭성은 어디에서 비롯된 것일까요?
더 많은 물질을 만드는 핵심 입자 발견
이 연구에 참여하지 않은 멜버른 대학의 물리학자 레이 볼카스는 표준 모형이 물질-반물질 비대칭성의 일부를 설명할 수 있는 방법을 가지고 있다고 말했습니다.
볼카스 교수는 “물질과 반물질이 [다른 입자와] 상호작용하는 방식에 미묘한 차이가 있다는 것은 1960년대 초반부터 실험을 통해 알려져 왔습니다.”라고 말했습니다.
이런 미묘한 차이를 전하-패리티 위반 또는 CP 위반이라고 하며, 이는 물질보다 반물질이 적은 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다.
연구자들은 몇몇 작은 입자에서 이런 비대칭성을 관찰했지만, 3개의 쿼크로 구성된 일종의 아원자 입자인 바리온에서는 아직 관찰하지 못했습니다.
하다비자데 박사는 “우리가 접하는 물질은 거의 모두 중입자입니다.”라고 말했습니다.양자 물리학의 ‘성경’은 어떻게 작동할까?
사진은 Standard_Model_of_Elementary_Particles.jpg를 보여줍니다.
물리학자들이 새로운 입자를 발견할 때마다 표준모형은 슈퍼모델에 한 걸음 더 가까워진다.
20개국의 1,500명 이상의 과학자로 구성된 “대형 강입자 충돌기 미인”(LHCb) 협업팀은 이 거대 입자 가속기를 사용하여 중입자의 비대칭성 사례를 찾았습니다.
그들은 실험의 처음 몇 년 동안의 데이터 라이브러리를 분석하면서, 특히 “뷰티”라는 이상한 이름이 붙은 바리온을 살펴보았습니다.
그들은 비대칭적인 방식으로 붕괴하는 중입자를 발견할 수 있었습니다. 즉, 반물질보다 더 많은 물질을 생성한다는 것입니다.
볼카스 교수는 이를 “흥미로운 결과”라고 말하지만, 그와 LHCb 연구진 모두 아직 물질-반물질의 미스터리를 완전히 풀었다고 생각하지 않습니다.
볼카스 교수는 “표준 모형의 CP 위반 정도는 실제로 우주론적 물질-반물질 비대칭성을 설명하기에 충분하지 않다”고 말했다.
“그것은 과학의 가장 큰 미스터리 중 하나입니다.”
우리는 물리학을 깨뜨릴 것인가?
물질-반물질 비대칭은 표준모형의 여러 문제 중 하나일 뿐입니다.
이 이론은 수십 년 동안 입자 물리학자들이 실시한 모든 시험을 통과했지만, 그 안에는 엄청난 빈틈이 있습니다.
또한 우주의 가속 팽창의 원인으로 여겨지는 신비한 현상인 중력이나 암흑 에너지를 설명할 수 없습니다.
“우리는 우리의 이론이 완전히 틀리기를 바라지 않습니다. 사실, 이론이 너무 잘 맞아떨어지기 때문에 그럴 수 없습니다. 하지만 우리는 이론이 불완전해서 새로운 것을 추가할 수 있기를 바랍니다.”라고 볼카스 교수는 말했습니다.
그는 LHCb 실험과 비슷한 실험들이 물질-반물질의 신비를 점점 더 면밀히 조사하고 있다고 말한다.
“그들이 하려는 것은 CP 위반 효과를 점점 더 정밀하게 조사하여 표준 이론이 계속해서 검증되는지, 아니면 실패하여 이론을 확장하거나 수정해야 하는지 알아내는 것입니다.”
이 새로운 결과는 표준 모형과 일치하지만, 연구자들은 이를 통해 이론을 넘어설 수 있는 부분이 있을 수 있다고 제안합니다.
이제 연구자들은 중입자의 비대칭성을 측정했으므로 이 현상을 더욱 자세히 조사할 수 있을 것입니다.
하다비자데 박사는 이 연구가 잠재적으로 새로운 유형의 물리학을 관찰할 수 있는 “완전히 새로운 입자 집합”을 열어줄 것이라고 말했습니다.
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게시됨 2시간 전
