'우주의 대칭성 깨어짐' 원리 규명에 노벨물리학상 영예

원자보다 더 작은 세계에서 나타나는 물질의 대칭성 붕괴 원리를 규명한 3명의 과학자에게 올해 노벨물리학상의 영예가 돌아갔다.

스웨덴 한림원은 7일 미국 페르미연구소의 난부 요이치로(南部陽一郞) 박사와 일본 고에너지연구소(KEK)의 고바야시 마코토(小林誠) 박사, 교토대 마스카와 도시히데(益川敏英) 박사 등 3명이 대칭성 깨어짐에 대한 연구업적으로 노벨물리학상 수상자로 선정됐다고 밝혔다.

난부 박사는 소립자 물리학에서의 자발적 대칭성 깨어짐 메커니즘을 규명한 연구로 수상 업적의 절반을 차지했고, 고바야시와 마스카와 박사는 자연계에 3가지 쿼크가 존재함을 예견하는 대칭성 붕괴의 기원을 발견한 공로로 나머지 절반의 업적을 차지했다.

대칭성 파괴는 바로 현재의 우주와 인간이 존재할 수 있는 근거가 된다. 대칭성이 깨지지 않았다면 이 세상에 어떤 물질도 존재할 수 없기 때문이다.

140억년 전 대폭발(빅뱅)로 이 우주가 탄생했을 때 이 세상은 모든 것이 대칭을 이루고 있었다. 물질과 반물질, 입자와 반입자가 똑같이 존재하면서 서로 충돌해 빛을 내며 소멸하고 있었다.

그러나 어느 순간 무슨 이유에서인지 이런 대칭성이 깨지면서 반물질, 반입자가 물질과 입자보다 빨리 사라졌고 그 결과 물질과 입자로 이루어진 현재의 우주가 존재하게 된 것이다.

난부 박사의 연구와 고바야시-마스카와의 연구는 모두 대칭성 파괴에 관한 것이지만 본질적으로는 상당한 차이가 있다.

난부 박사는 1960년 소립자 물리학에서 자발적인 대칭성 깨짐이 일어날 수 있음을 수학적으로 설명하는 이론을 처음으로 내놨다.

이 이론은 바로 표준모델(Standard Model)과 합쳐짐으로써 힉스(Higgs) 입자라는 것이 도입되는 계기가 됐으며 강력과 전자기력, 약력 등 3가지 힘을 하나의 이론으로 통합할 수 있는 토대를 마련했다.

고등과학원 전응진 교수는 "힉스 입자는 자발적 대칭성 붕괴를 일으키는 역할을 하며 자발적 대칭성 붕괴가 있어야만 물질이 질량을 갖게 된다"고 말했다.

난부 박사의 업적은 최근 유럽입자물리연구소(CERN)의 거대강입자가속기(LHC)가 '신의 입자'로 불리는 힉스를 확인하기 위한 실험에 돌입하면서 더욱 주목을 받아왔다.

난부 박사의 이론은 힉스 입자의 존재를 예견하는 근거를 마련함으로써 표준모델을 완성하는 토대가 됐을 뿐 아니라 '힉스 입자' 발견이라는 큰 과제를 21세기 세계 물리학계에 던져준 셈이다.

표준모델 내에서의 대칭성 붕괴에 대해 설명한 고바야시 교수와 마스카와 교수의 업적은 이보다는 우주의 존재의 본질과 더 큰 관련이 있다.

이들의 이론은 또한 물질를 구성하는 기본 입자인 쿼크에 3가지 종류가 있음을 예측해냈으며 이는 2001년께 미국 스탠퍼드대의 바바(BaBar) 실험과 성균관대 물리학과 최영일 교수 등도 참가했던 일본 쓰쿠바 벨(Belle)실험을 통해 최종 확인됐다.

이들이 발견한 대칭성 깨어짐은 우주 초기부터 존재했던 것으로 추정되고 있다. 빅뱅 직후 물질과 반물질이 대칭을 이루던 것이 어느 순간 대칭이 깨지면서 물질만이 남게 돼 현재의 우주를 형성하게 된 것이다.

전응진 교수는 "고바야시 박사와 마스카와 박사는 표준모델에서 대칭성이 깨질 수 있음을 처음으로 밝혀냈다"며 "만약 이런 류의 대칭성 깨어짐이 없었다면 물질과 반물질이 계속 충돌해 빛을 내며 사라짐으로써 현재와 같은 우주와 지구, 인간은 존재하지 못했을 것"이라고 말했다.

이주영 기자 [e-mail] (서울=연합뉴스)