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중이온가속기로 ‘미니빅뱅’, 반물질 ‘반헬륨-4’ 발견






세상에서 가장 무거운 반(反)물질 원자핵이 발견됐다. 중이온가속기를 이용한 ‘미니 빅뱅’ 실험의 결과물이다. 이로써 과학자들은 초기 우주의 비밀에 한 발짝 다가서게 됐다.

부산대 물리학과 유인권 교수팀 등 국제공동연구진 500여 명으로 이뤄진 ‘스타(STAR)’ 팀은 헬륨(He) 원자핵의 반(反)입자인 ‘반(反)헬륨-4’를 발견했다. 반입자는 다른 성질은 모두 같은데 전기적 성질만 다른 입자다. 가령 양성자의 반입자인 반양성자는 양성자와 무게, 모양이 같지만 마이너스 전하를 띤다. 세계적 과학학술지 ‘네이처’는 24일자 온라인판에 이 연구 결과를 크게 소개했다.

스타 팀은 미국 브룩헤이븐국립연구소에 있는 중이온가속기(RHIC)에서 금 원자핵 두 개를 빛의 속도로 약 10억 번 충돌시키는 실험을 진행했다. 이렇게 하면 가속기 안에 수조(兆)도의 어마어마한 고열이 발생하면서 원자핵이 모두 녹아 엄청난 에너지로 바뀌는 ‘미니 빅뱅’이 일어난다.



연구진은 금 원자핵끼리 충돌하면서 만들어진 새로운 입자 5000억 개도 얻었다. 연구진은 이 가운데 반헬륨-4 18개를 찾아냈다. 지금까지 발견된 반물질 원자핵 가운데 가장 무겁다. 유 교수는 “헬륨 원자핵보다 무거우면서 방사성 붕괴를 하지 않는는 안정적인 원자핵은 드문 만큼 당분간 이 기록은 깨지지 않을 것”이라고 전망했다.

이번 연구로 과학자들은 우주의 기원에 대한 중요한 단서를 얻었다. 유 교수는 “빅뱅 당시 초기 우주는 물질과 반물질의 양이 같았는데 오늘날 세상은 오로지 물질로만 구성돼 있다”면서 “반물질의 자취를 찾는 일은 물리학의 가장 큰 수수께끼 가운데 하나를 푸는 것”이라고 설명했다.

미국 에너지부(DOE) 윌리엄 브링크만 과학국장은 “중이온가속기의 입자 충돌 실험이 초기 우주에 대한 단서를 제공할 수 있다는 사실을 보여준 중요한 사건”이라며 극찬했다.










반물질을 찾는 연구는 앞으로도 계속 이어질 전망이다. 이달 29일 마지막 비행을 앞둔 미국 우주왕복선 엔데버는 반물질 검출기(AMS-2)를 싣고 올라가 국제우주정거장에 설치하는 임무를 맡았다. AMS-2는 우주에서 날아오는 반물질을 지속적으로 탐색하게 된다.

유럽입자물리연구소(CERN)도 올해 거대강입자가속기(LHC)를 이용해 입자 충돌 실험을 진행할 계획이다. LHC는 이번 실험에 사용된 중이온가속기보다 수십 배 높은 에너지로 입자를 충돌시킬 계획이어서 새로운 반물질을 발견할 수 있을 것이란 기대를 한 몸에 받고 있다.

유 교수는 “국제과학비즈니스벨트에 건설될 중이온가속기(KoRIA)는 LHC보다는 입자를 가속시키는 에너지가 낮아 초기 우주 상태를 구현하기는 어렵다”면서도 “우주에 존재하는 다양한 원소의 생성과정 등에 대한 해답을 찾는 데 큰 역할을 할 것”이라고 기대했다.





::반(反)물질::
반물질은 반(反)입자로 이뤄진 물질을 가리킨다. 우리 우주를 구성하는 물질과 반대의 특성을 갖는다. 가령 양전자는 전자의 반입자를 말한다.

 

 



이현경 동아사이언스 기자 uneasy75@donga.com




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