존재는 어긋남으로부터 시작된다

-4강 후기-

 

  안녕하세요. 지난 4주 매주 목요일 저녁은 제게 팬 미팅 같았습니다. 너무도 유명하지만 먼발치에서 바라만 봤던 양자역학이라는 연예인을 가까이에서 보게 되었다고나 할까요? 확실히, 연예인을 가까이서 보니 설레더군요. 플랑크 공간과 호킹복사, 양자터널링, 양자 얽힘 등등의 얘기를 들을 때면 어떤 SF영화보다도 더 SF 같았습니다. 그런데 그게 현실이라니... 소름이었죠. 한달간의 팬미팅이 끝나서 아쉬웠는데, 이렇게 후기를 쓰니 아쉬움이 많이 줄었습니다. 여튼, 이번 강의 덕분에 물리학이라는, 양자역학이라는 새로운 세계를 만났다는 게 너무 신기합니다. 이런 사유의 세계가 있다는 것도 놀랍고요...

  4주차 강의는 표준모형의 한계와 양자역학이 던지는 인문학적인 질문에 대한 강의였습니다. 주제가 너무 방대해서... 전부 후기로 다루긴 어려울 것 같습니다.^^; 그래서 저는 표준모형의 한계에 대해 간략히 정리하고, 그중에서 제일 궁금했던 ‘CP대칭성 깨짐’에 대해 좀 더 알아보았습니다.

 

 

 

 

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우선 박재용 강사님이 표준모형이 같는 한계에 대해 10가지 정도 소개해주셨습니다.

 

1.상수가 너무 많다.

- 왜 그런 상수가 나오는지 설명할 수도 없다.

- 물리학자들은 미니멀리스트라 기본적인 값이 너무 많이 있으면 좋아하지 않는다.

 

2. 3 세대가 필요한 이유는 뭐지?

 

3. 너무 큰 세대간 격차.

- 톱쿼크 무게는 철원소보다 무겁다. → 아니, 기본입자라면서 이렇게 무거워도 되는 거야?

- 1세대, 2세대, 3세대 기본입자 간의 무게 차이가 너~무 난다.

 

4. CP대칭이 깨짐을 설명하지 못한다.

 

5. 근본힘이 하나로 통일되지 않는다.

QCD : 강한상호작용을 설명함.

QED : 약한 상호작용 & 전자기상호작용을 설명함. 온도가 내려가면 두 힘은 같은 힘이 된다.

 

6. 중력은 양자역학 이론과 잘 섞이지 않는다.

- 블랙홀을 설명하려면 중력을 설명하는 상대성이론과 양자역학을 함께 사용해야 하는데, 이 두 이론을 섞으면 난리가 안다. 전체 확률이 ‘1’이 넘어간다.

 

7. 중력을 설명하지 못한다.

(전자기력 – 광자) (약력 – W보손, Z보손) (강력 – 글루온)처럼, 양자역학에서 힘은 어떤 매개입자를 통해 서로 주고받는 것이라는 모델을 갖는다.

이러한 양자역학적 상호작용의 원리에선, 중력도 ‘중력자’와 같은 매개 입자를 주고 받으며 상호작용이 이뤄진다는 식으로 설명이 되어야 하는데... 허나, 상대성 이론이 설명하길, 중력은 시공간이 구부러져서 일어나는 상호작용이라고 한다.

 

8. 중성미자는 이론상 정지질량이 0이어야 하는데, 실험하면 질량이 존재하게 된다.

 

9. 우주의 25%을 차지하는 암흑물질에 대해서는 설명하지 못한다.

 

10. ‘우주상수’는 암흑에너지를 의미. 관측결과와 계산 결과가 너무 다르다.

 

 

 

 

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자, 이제 'CP대칭의 깨짐'에 대해 알아보겠습니다.

* <과학하고앉아있네>라는 유튜브 영상을 많이 참고 했습니다.^^   

* 양전닝과 리정다오의 연구에 관한 내용은 『LHC, 현대 물리학의 최전선』 이강영, 2011/6 1판2쇄 (2011/2, 1판1쇄)을 참고했습니다.

 

 

 

대칭의 깨짐 = 존재의 시작

 

  지난 2020년, 중성미자의 대칭성이 깨져있음을 밝히는 논문이 네이처지의 표지 논문으로 실립니다. 그리고 그해 4월 15일, 뉴욕 타임스에는 이 논문의 내용을 담은 다음과 같은 기사가 실립니다. “왜 우주엔 아무것도 없지 않고 뭔가 있는가? 이론상으론 빅뱅 때 같은 양의 물질과 반물질이 만들어졌고, 따라서 모두 상쇄되어 에너지로 바뀌어 물질이 없어야 하는데... 물질이 왜 있는가? 즉, 왜 무엇이 ‘존재’하는가?” 그 이유는 우주 초기에 우주에 물질이 반물질보다 10억 분의 1배 더 많았기 때문이라고 합니다. 그런데 ‘대칭성’ 법칙에 의하면 이는 이론상 불가능합니다. 그렇다면 우주는 대칭성이 깨져있어야 한다는 결론이 됩니다. 그런데 양자역학을 포함한 그 어떤 이론도 우주의 대칭성에 대해서만 말하고 깨짐은 얘기하지 않습니다. 그래서 1950년대부터 과학자들은 이 대칭성의 깨짐을 밝히기 위한 연구를 진행해왔습니다.

  우주의 대칭성을 주장하는 양자역학, 상대성이론, 고전역학과 같은 이론들은 1920~30년대까지 나온 이론들입니다. 그런데 1950년대 이르러 입자가속기가 가동되고, 강력과 약력의 연구가 본격적으로 진행됩니다. 이때 진행됐던 연구와 실험들에서, 약력에서 대칭이 깨져있다면 우주 초기의 대칭 깨짐이 설명이 되겠다는 이론들이 나오기 시작합니다. 이것을 밝혀낸 것은 제2차세계대전이 끝난 직후 미국으로 건너온 두 젊은 중국인 과학자였습니다. 바로 양전닝(杨振宁)과 리정다오(李政道)가 그 주인공입니다.

 

 

 

 

 

P(Parity)대칭

 

  두 사람은 모두 시카고 대학교에서 페르미의 영향을 받았다는 공통점을 가지고 있었습니다. 1949년 프린스턴 고등 연구소에서 다시 만난 두 사람은 공동 연구를 시작했고, 이들의 공동 연구는 리정다오가 컬럼비아 대학교로, 양전닝이 브룩헤이븐 연구소로 자리를 옮긴 뒤에도 계속 이어졌습니다. 1956년경 이들은 약한상호작용은 아무래도 '패리티(parity, 반전성)'라는 대칭성을 지키지 않는 것 같다는 생각에 도달합니다.

  패리티란 공간이 뒤집히는 변환에 대해 변치 않는 대칭성을 말합니다. 공간이 뒤집혔다는 말은 상하, 좌우, 앞뒤가 모두 바뀌는 것을 의미하는데, 우리가 사는 3차원 공간에서는 이렇게 변환된 모습을 거울에서 쉽게 볼 수 있습니다. 패리티 대칭성은 간단하게 말하면 거울에 비친 것과 같습니다. 즉 거울에 비친 세계와 우리가 사는 세계의 물리 법칙이 같은가 다른가 하는 것이죠.

 

 

 

 

  예를 들면 오른나사와 왼나사는 거울 속에서 서로 바뀝니다. 그러나 오른나사와 왼나사가 쌍으로 있게 되므로 패리티 대칭성은 유지됩니다. 인간 세상에서는 대부분 오른나사만 있으므로 패리티가 깨졌다고 할 수 있지만, 자연은 오른나사와 왼나사를 구별할 이유가 없기 때문에, 아마 오른나사와 왼나사가 똑같은 수만큼 있을 것이라는 것이 물리학자들 대부분의 생각이었습니다. 예를 들어 전자기 상호 작용은 거울 속 세계나 우리 세계나 똑같이 적용되므로 패리티 대칭성이 지켜지죠.

 

 

 

신은 왼손잡이다

 

  리정다오와 컬럼비아 대학교의 같은 건물에서 근무하는 베타 붕괴 실험의 전문가인 '우젠슝(吴健雄)'의 조언으로 리정다오와 양전닝은 그때까지 나온 모든 베타 붕괴 실험 데이터들을 점검해 보았으나 패리티가 보존되어야 한다는 것을 의미하는 결과는 찾지 못했습니다. 마침내 그들은 1956년 [약한 상호 작용에서 패리티 보존에 대한 의문] 이라는 제목으로 논문을 발표합니다. 이 논문에서 리정다오와 양전닝은 베타 붕괴 및 메손과 하이퍼론의 붕괴에서 실험적으로 패리티가 깨지는 것을 확인하는 여러 가지 방법을 제안했습니다. 처음에 실험가들의 반응은 거의 없었다. 누구나 패리티는 당연히 보존되어야 하며 리정다오와 양전닝의 이론은 지나치게 파격적이라고 생각했다. 그러다가 리정다오에게 설득당한 우젠슝이 결국 코발트 60의 동위원소를 이용한 베타 붕괴 실험을 시작합니다.

  자연 상태의 코발트에 중성자를 추가해 인위적으로 만들어 불안정한 코발트 60은 베타붕괴를 하게 되고, 그 결과로 니켈 60이 되면서 전자와 반중성미자를 내놓습니다.

 

 

 

  여기서 ‘베타붕괴’란, 약한 상호작용에 의해 중성자(n0)가 양성자(p+)로 바뀌면서 전자(e-)와 전자 반중성미자(Ve)를 방출하는 현상을 말합니다.

 

 

 

  미국 국립 표준국의 시설을 이용해 우젠슝은 극저온에서 자기장으로 인해 스핀이 한 방향으로 정렬된 코발트 60 동위원소의 베타 붕괴를 관찰합니다. 결과는 놀라운 것이었습니다. 이듬해인 1957년 1월 우젠슝은 베타 붕괴를 통해 나오는 전자가 오직 한 방향으로만 나온다는 결론을 내립니다.

  즉 베타 붕괴를 할 때 패리티가 깨져 있던 것입니다. 그것도 완전하게 깨져 있어서, 자연 법칙은 특정 방향만을 가지고 있는 것이었습니다. 간단히 말해서 왼나사가 오른나사보다 조금 많은 정도가 아니라 자연에서는 아예 왼나사만 존재했던 것이죠! 이를 두고 과학자들은 ‘신은 왼손잡이다.’라는 표현을 쓴다고 합니다.

 

 

 

가장 말이 많았던 노벨 물리학상

 

  우젠숭의 논문은 발표되자마자 학계는 충격에 빠집니다. 패리티와 같이 당연히 자연에 존재하리라고 여겨졌던 대칭성이 실제로는 완전히 깨져 있다는 사실의 발견은 바로 그 드문 경우였기 때문이죠. 대칭성에 대한 미학적 감각을 본능처럼 지닌 이론 물리학자들에게는 더욱 그러해서 파울리(Wolfgang Ernst Pauli)는 경악하고 탄식했고 합니다. 논문이 발표된 1957년 2월 뉴욕의 파라마운트 호텔에서 열린 미국 물리학회에는 2000명이 몰려들었고, <뉴욕 타임스>를 비롯한 주요 신문의 1면에 결과가 실렸습니다.

  실험적으로 약한상호작용에서 패리티가 깨져 있음이 확인되자마자 양전닝과 리정다오는 1957년의 노벨 물리학상을 수상했습니다. 그때 두 사람의 나이는 각각 35세, 31세였다고 합니다. 이것은 노벨상이 가장 신속하게 주어진 예 중 하나이며, 중국 출신으로서는 첫 번째 수상이기도 합니다. 그런데 정작 실험을 통해 이 이론을 입증한 우젠슝은 상을 받지 못했습니다. 당시 노벨상 위원회는 거의 같은 시기에 비슷한 결과를 확인한 다른 실험들이 있었고, 노벨상은 최대 세 명에게만 줄 수 있기 때문에 복잡한 논쟁을 피하기 위해 실험 물리학자들은 모두 빼고 이론 물리학자 두 사람에게만 줬다고 합니다만, 우젠슝이 받지 못한 이 노벨물리학상은 논란의 여지가 가장 많은 노벨상 중 하나로 꼽힌다고 합니다. 우젠슝이 처음 미국에 갔을 때 미시간 대학에서 여성들이 정문으로 다닐 수 없었다는 걸 미루어 보면, 중국계 여성이라는 조건도 영향이 있지 않았겠느냐는 이야기도 있습니다.

 

△멘허튼프로젝트 연구 중인 우젠슝

 

 

 

 

이후 실험들

 

  1964년, 피치(Val Logsdon Fitch)와 크로닌(James Watson Cronin)이라는 과학자가 케이온(kaon, 또는 케이 중간자(K meson)) 붕괴실험을 통해 이번엔 C(Charge, 전하)대칭과 P대칭이 모두 깨짐을 발견하게 됩니다. 케이온이 붕괴하면 중성미자와 반중성미자가 나오는데, 중성미자가 나올 확률이 전하가 반대인 반중성미자보다 0.65% 더 많았습니다. 1973년, 고바야지 마코토와 마스카와 도시히데에 의해 쿼크 수준의 입자에서도 CP대칭성이 깨진다는 게 이론적으로 밝혀집니다. 그런데 여기까지는 쿼크들의 대칭성 깨짐만을 발견한 것입니다. 쿼크의 대칭성 깨짐만으론 현재 우주의 대칭 깨짐을 설명하기에 양이 10억 배 부족하다고 하네요. 하여, 지금의 우주가 만들어지는 것이 가능하려면 쿼크뿐 아니라 렙톤에서도 대칭 깨짐이 있어야 합니다. 그중에서도 우주에서 광자 다음으로 많은 양을 차지하는 중성미자 자체가 비대칭이면, 우주에 물질이 지금 정도로 있다는 걸 어느 정도 설명할 수 있다고 합니다. 그래서 중성미자의 비대칭성이 예언되었고 이것이 2020년 일본의 ‘슈퍼 카미오칸데’라는 중성미자 관측시설에서 진행한 ‘K to K’ 프로젝트를 통해 밝혀지게 됩니다. 이로써 모든 것을 존재하게끔 한 태초의 비대칭이 어느 정도 설명되었다고 볼 수 있을 것 같습니다.

 

△11,146개의 광전자 증폭관으로 둘러싸인 슈퍼 카미오칸데의 내부

 

 

 

 

 

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p.s.

 

대칭성 깨짐에 대해 알아보면서 동양 의역학에서 들었던 말이 떠올랐습니다. 태과불급, 즉 존재의 어긋남이 있기에 생명이 태어났다고 하는 말이었던 것 같습니다. 만일 이 우주가 수학 이론처럼 완벽한 대칭이었다면 아무것도 생겨나지 않았을 텐데, 약간의 어긋남, 비대칭으로 인해 만물이 창조되었다는 게 너무 신기합니다. 다른 샘들이 양자역학을 공부하면서 동양의 사유들이 생각난다고 말씀하셨던 것들에 또 한번 공감이 갑니다.