국내 연구진이 포함된 국제공동연구그룹인 STAR 실험팀이 미국의 상대론적 중이온충돌기에서 이루어진 고에너지 금핵-금핵 충돌실험에서 반물질 헬륨4 원자핵을 최초로 발견했다.

부산대학교 물리학과 유인권(44세) 교수팀은 이 같은 내용이 세계적인 과학저널 ‘Nature’지 최신호에 발표했다.

이 새롭게 발견된 반물질 헬륨4 원자핵은 반-알파 입자로도 불리는데, 이제까지 인류가 발견한 반물질로는 가장 무거운 원자핵이다.

이는 작년 3월에 반물질 초 삼중수소 원자핵을 발견해 ‘사이언스’지에 게재된 바 있는 동일한 실험에서 발견된 것이다.

현재까지 알려진 바에 의하면, 헬륨4 원자핵보다 무거우면서도 방사성 분열을 하지 않는 반물질 원자핵종이 발견될 확률은 헬륨4 원자핵의 경우에 비해 백만 배 혹은 그 이상 희귀할 것으로 예측되기 때문에, 이번 발견은 앞으로도 인류가 발견하게 될 가장 무거운 반물질 원자핵으로 기록될 것으로 보인다.

고온의 초기우주와 같은 극한적인 조건에서 생성된 반물질에 대한 연구는 대단한 의미를 갖는다.

물리학의 가장 큰 수수께끼 중의 하나는 현재의 우주가 빅뱅에 의해 시작될 때 같은 양으로 생성되었을 물질과 반물질 중에서 어째서 오늘날의 세상은 오로지 물질로만 구성되어 있는 것인지에 대한 의문이다.

지난해 동 STAR 실험팀이 밝혀낸 것과 같이 고에너지의 상대론적 중이온충돌실험은 우주 최초의 상태와 유사한 미니 빅뱅을 만들게 되는데, 이때는 실제로 물질의 가장 기본적인 소립자로 알려져 있는 쿼크와 반쿼크들이 거의 같은 양만큼 만들어진다.

이번에 발견된 반물질 헬륨4는 이 반물질들이 물질과 만나 소멸되기 이전에 안정적인 반물질 원자핵을 만들어 STAR 검출기에 검출된 것이다.

또한 이번에 측정된 반물질 헬륨4의 생성률은 고에너지의 상대론적 중이온충돌 시 만들어진 쿼크와 반쿼크 스프로부터 반쿼크의 통계적 유착 모델에서 예측한 것과 대략적으로 일치하지만, 이 모델이 말하는 바대로 12개의 반쿼크가, 무려 수조 도에 이르는 극한상태로부터 급속도로 팽창하는 물질들의 한가운데에서 살아남아 있을 시간은 고작 수조 분의 수조 분의 1초에 불과하기 때문에 어떻게 무려 18개나 STAR 검출기 내에서 검출될 수 있었을까 하는 점은 여전한 의문으로 남는다.

이러한 반물질의 생성률을 알게 되는 것은, 우주에서 일어날 수 있는 완전히 새로운 현상들을 포함한 광범위한 과학적 탐구에 아주 중요하다.

예를 들어 2011년 4월에 예정되어 있는 스페이스셔틀이 운반해 국제우주정거장 (International Space Station)에 설치돼 우주로부터 날아오는 반물질을 탐색하게 될 AMS(Alpha Magnetic Spectrometer) 실험과도 직결되어 있다.

또한 2010년부터 본격적으로 가동하기 시작한 세계최대의 가속기인 스위스 소재 유럽핵입자물리연구소의 강입자충돌기(Large Hadron Collider : LHC) 에서는 미국의 상대론적중이온충돌기(RHIC) 보다 무려 수십 배의 에너지로 중이온충돌실험이 진행되고 있어 반물질의 발견에 또한 많은 관심을 더하고 있다.

더 높은 에너지에서 생성될 반물질들은 어떤 양상을 보여줄 지 주목받고 있다.

“반물질 헬륨4 원자핵의 발견은 러더퍼드의 알파입자를 금박에 산란시켜 원자핵의 존재를 알아낸 지 100주년에 이루어진 뜻깊은 일”이라고 STAR Collaboration의 주저자 중 한 사람인 브룩헤이븐국립연구소 연구원 Aihong Tang 박사는 소회를 밝혔다.

STAR 실험팀은 12개국의 54개 연구기관으로 구성되어 있으며, 미국의 에너지국(DoE)을 비롯한 세계 각국의 여러 연구재단으로부터 지원받고 있다.

한국의 부산대학교 연구진은 한국연구재단의 지원 하에 국내에서 유일하게 STAR 실험에 참여하고 있으며, 이번 Nature 논문에는 공저자로서 유인권 교수와 부산대학교 물리학과 대학원생 오근수, 최경언 씨가 참여했다.