우주가 반물질이 아니라 물질로 이루어져 있는 까닭은 무엇일까. 高에너지 가속기 연구기구(茨城縣 츠쿠바시)에 있는 전자 양자 충돌형 가속기 ‘B팩토리’에서는 이러한 우주탄생의 수수께끼를 해명하는 실험을 진행하고 있다. 지금까지 ‘CP대칭성의 파괴’라고 불리는 소립자(素粒子)의 현상을 실험으로 확인한 이외에 03년에는 소립자의 ‘표준이론’으로 설명이 불가능한 새로운 현상을 확인하기도 하고 ‘X(3872)’라는 새 입자를 발견하는 등 연이은 성과를 올리고 있다. 사라진 반(反)물질 우주는 ‘빅뱅’이라는 대폭발과 함께 탄생했다고 알려져 있다. 우주탄생 직후는 ‘입자’와 전하 등이 반대인 ‘반입자’는 같은 수만큼 있고, 대(對)소멸이나 대(對)생성이 반복되어 왔으나 우주의 팽창으로 온도가 내려가 그와 함께 대부분은 소멸되었다고 한다. 그러나 현재 우주에 있는 것은 입자로 생성된 ‘물질의 세계’ 뿐이고 반입자로 된 ‘반물질의 세계’는 존재하지 않는다. 왜 반물질의 세계는 사라진 것일까. 그 이유를 설명하는 것이 입자와 반입자의 성질이 아주 조금 다른 현상 ‘CP대칭성의 파괴’이다. 이 현상 때문에 입자와 반입자가 완전히 대소멸하지 않고 아주 약간의 차이만큼 입자만 남았다. 우주가 물질로 이루어진 것은 그때문이라고 한다. 노벨상 후보 이 CP대칭성의 파괴를 설명한 공적으로 小林誠 高에너지 가속기연구기구 소립자 원자핵연구소장과 益川敏英 京都산업대학 이학부 교수 두 사람이 노벨상 후보에 올랐다. 세상의 모든 물질은 원자로 이루어져 있다. 그러나 더 세밀하게 본다면 원자의 중심에는 양자와 중성자로 이루어진 원자핵이 있고, 그 주변을 전자가 돌고 있다. 더 이상 세밀하게 나눌 수 없는 물질을 구성하는 최소단위인 입자는 ‘소립자’라고 불리며 이 기본입자는 ‘쿼크’와 ‘레프톤’으로 나뉜다. 小林, 益川 두 사람은 京都대학 조교 시절인 73년, CP대칭성의 파괴를 모순 없이 설명하려면 ‘쿼크가 적어도 3세대 6종류 필요’하다고 처음으로 제창한 논문을 유럽의 이론물리학지에 공동발표했다. 쿼크는 당시 3종류밖에 발견되지 않았으나 이후의 실험으로 논문의 예언대로 6종류의 쿼크가 모두 발견되었다. 두 사람의 주장은 ‘小林, 益川이론’이라고 불리며 소립자의 현상을 설명하는 가장 유력한 이론인 ‘표준이론’에 편입되었다. CP대칭성의 파괴를 자세하게 설명한 小林, 益川이론의 공은 크다. 소립자 물리학에서 오랫동안 계속되어 오던 이론선행시대의 기둥을 小林, 益川이론은 지탱했다고 할 수 있다. CP대칭성의 파괴는 64년, 중성인 K중간자가 붕괴하는 과정에서 최초로 발견되었다. 그러나 실험에서는 오랫동안 제1세대와 제2세대의 쿼크, 반쿼크(쿼크의 반입자)로 구성된 K중간자 이외에서는 확인되지 않았다. 小林, 益川이론은 K중간자만으로는 실증이 부족하다는 것을 밝혔다. K중간자 이외에 최초로 실증한 것은 제3세대인 보텀쿼크를 포함한 B중간자와 반입자인 반 B중간자를 양산하는 ‘B팩토리’였다. B팩토리는 高에네지硏과 미국 스탠포드 선형가속기센터(SLAC)에 있고 국재공동실험팀이 각각 구성되어 있다. 2001년, 두 그룹은 각각 B중간자에서 CP대칭성의 파괴를 확인하고 小林, 益川이론의 정확성을 재삼 실험으로 뒷받침했다. 이후 연구의 초점은 표준이론에 모아졌다. 그런 가운데 高에너지硏 등 국제공동실험팀은 2003년 8월, 표준이론으로는 설명이 어려웠던 새로운 현상을 확인했다고 국제회의에서 발표했다. 표준이론을 뛰어넘는 새로운 이론으로 이어질지 어떨지는 미지수였지만 표준이론의 틀 속에서 크게 존재감을 나타낸 小林, 益川이론은 새로운 검증을 당할 시대에 들어섰다고 말할 수 있을 것이다. 신비로운 성질 그리고 3개월 후, 이 그룹은 이번에는 ‘X(3872)’라고 이름한 신비한 성질의 새 입자를 발견했다고 발표했다. B팩토리에서 지금까지 만들어낸 B중간자, 반B중간자의 대(對, 약1억 5천만개)의 붕괴 속에서 36개의 새 입자를 발견한 것이다. B증간자에는 여러 가지 붕괴 프로세스가 있고, 드물게 J/Ψ(제프사이) 중간자와 두 개의 π(파이) 중간자, K 중간자로 붕괴하는 것이 있다. 이 프로세스에서 아주 짧은 순간, X(3872)이 생성되는 경우가 있다는 것을 밝혀냈다. 새 입자는 헬륨 원자 정도의 질량(3872메가전자볼트)가 있다. 이 정도 질량의 입자로서는 수명이 길어 생성 후 약 1조(兆) 분의 초의 다시 10억 분의 1초 후에는 J/Ψ 중간자와 두 개의 π 중간자로 붕괴한다. 중간자는 보통 쿼크와 반 쿼크가 한 개씩 연결되어 이루어져 있다. 새 입자는 제2세대인 차임쿼크를 포함하고 있는데 일반 중간자로서는 질량 등을 제대로 설명할 수 없어 이론자의 주목을 끌고 있다. 이 연구팀에서는 X(3872)운 두 개의 중간자가 결합한 새로운 형태의 ‘중간자 분자’일 가능성이 높다고 보고 있다. (편집부)