소립자, 암흑물질

[혜공[蕙孔]]

소립자란?

소립자는 한문으로 쓰면 素粒子입니다. 즉 기본이 되는 입자라는 의미이지요. 영어로는 small particle 이 아니라 elementary particle 이라고 합니다. 소립자란 명칭이 붙은데는 다음과 같은 이야기가 있습니다.

기본입자는 더 이상 쪼개지지 않는, 그 안에 아무 것도 들어있지 않은 그런 입자를 말합니다. 사람들은 옛날부터 가장 작은 입자가 무엇일까라는 궁금증을 가지고 있었지요. 고대 그리스 시대에는 자르고 자르고 자르다 마지막에 더 이상 자를 수 없이 작은 입자에 도달하면 그것을 원자(atom)이라고 부르기로 했습니다.

그리고 18세기에 원소들이 발견되게 되었습니다. 그래서 사람들은 원소가 바로 원자이겠거니 하고 생각했지요. 이렇게 원자가 알려지게 됐지만 20세기에 들어서까지 원자를 직접 눈으로 볼 수는 없었습니다. 원자를 볼만큼 강력한 현미경을 만들 수 없기 때문이지요. 사실은 오늘날에도 원자를 직접 현미경으로는 볼 수가 없답니다.

그런데 19세기 말에 영국의 톰슨이라는 학자가 전자를 발견했지요. 그리고 전자가 원자속에서 나온다는 것도 알게 되었습니다.

원자는 더 이상 쪼개지지 않는 것이라고 가정했는데, 그 원자 속에서 전자가 나온다고 생각하지 않을 수 없게 된 것이지요.

그리고 나서 한 이십년 뒤에 톰슨의 제자인 러더퍼드가 원자에 알파입자를 충돌 시켜서 원자 내부를 조사해보고 그 안에 원자핵이 들어 있다는 것을 발견했습니다. 원자핵은 양전하들의 모임인데 원자핵 주위에 음전하를 나르는 전자가 분포된 것을 알아낸 것이지요.

그렇게 해서 원자가 더 이상 기본입자가 아님이 분명해졌습니다. 그리고 나중에 원자핵에는 양성자와 중성자라는 입자가 들어 있다는 것을 알게 되었습니다. 그래서 사람들은 이세상 만물은 양성자, 중성자, 전자 이렇게 세 가지로 이루어진게 아닐까 하는 생각을 갖게 되었지요.

• 그렇지만 확인해보기 위헤서 양성자를 세게 때렸더니 중성자와 양전자로 (양전자는 전자의 반입자임)로 바뀌는 것을 발견했습니다. 그래서 아마 양성자는 더 이상 기본입자가 아니라 중성자가 기본입자인가보다라고 생각했지요. 그런데 바로 중성자를 세게 때리면 양성자와 전자로 바뀌는 것을 알게 되었지요. 

그런 다음에 사람들은 확신하게 되었답니다. 양성자와 중성자는 더 이상 쪼개지지 않고 서로 순환한다고 ... 그래서 사람들은 양성자, 중성자, 전자 같은 입자들에게 소립자라는 이름을 부여했습니다. 이제 기본이 되는 입자를 발견했다고 생각했기 때문이지요.

그런데 이야기가 여기서 끝나는게 아닙니다. 공교롭게도 양성자와 중성자에 준하는 그런 입자들이 나중에 또 발견되기 시작했답니다. 그리고 몇 십년이 지난 뒤에는 소립자에 속한 입자들이 수백가지나 되게 되었습니다.

그래서 소립자를 질량에 따라 분류하게 되었지요.

• 양성자와 중성자가 속한 소립자들을 중입자(무거운 입자라는 뜻, 영어로 바리온)
• 파이온 이라는 입자등이 속한 소립자를 중간자(중간이 되는 입자라는 뜻, 영어로 메존)
• 전자 등이 속한 소립자를 경입자(가벼운 입자라는 뜻, 영어로 렙톤) 등으로 나뉩니다. 

이렇게 소립자의 수가 많아지자 1965년에 미국의 겔만이라는 학자가 소립자를 구성하는 더 기본되는 입자가 존재하리라고 예언했지요. 그렇게 기본되는 입자를 쿼크라 합니다. 오늘날 전자와 같은 렙톤은 여전히 기본입자이지만 메존과 바리온은 쿼크로 이루어져 있다는 것을 알게 되었지요. 메존은 쿼크 두개로, 바리온은 쿼크 세 개로 만들어졌답니다. 그래서 오늘날 가장 기본이 되는 입자는 쿼크와 렙톤이라고 알고 있습니다.

 암흑물질이란?

우주 구성 물질들의 비율

회색의 22%를 차지하는 부분이 암흑물질. 암흑물질(暗黑物質, 영어: dark matter)은 전자기파를 복사하지 않고, 오직 중력적으로만 관찰되는 물질이다. (예를 들어, 암흑물질은 주변 항성이나 은하의 운동을 교란한다거나, 근처의 전자기파를 굽힌다.) 암흑물질의 존재는, 은하 따위의 총 질량을 계산할 때 전자기파로 계산한 값이 중력적 효과로 계산한 값보다 현저히 작다는 사실로부터 유추할 수 있다.

암흑물질의 존재는 현재 정설로 인정되며, 빅뱅 이론 및 우주론의 표준 모형 (ΛCDM model)의 핵심 요소다. 아직 암흑 물질이 어떤 입자로 만들어졌는지는 알려지지 않았다. 이를 암흑물질 문제(dark matter problem)라 한다. 현재, 학계에서는 아직 발견되지 않은 입자 (초짝입자나 액시온 따위)일 것이라는 이론이 주류다.

암흑물질은 우주의 물질의 대략 22%를 차지하며, 나머지는 가시광선으로 관측할 수 있는 물질과 암흑 에너지로 이루어진다. 암흑 물질의 존재에 대한 의문은 지구 위에 우리의 존재와는 무관한 듯 보인다. 그러나 암흑 물질이 실제로 존재하느냐 않느냐는 현대 우주론의 최종 운명을 결정지을 수 있다.

우리는 먼 천제들로부터 멀어지는 은하에서 오는 빛의 적색편이를 통해 우주가 현재 팽창하고 있음을 안다. 우리가 빛으로 관찰할 수 있는 일반 물질의 양은 이러한 팽창을 멈출 만한 충분한 중력이 없으며 그래서 그러한 팽창은 암흑물질이 없다면 영원히 계속될 것이다.

이론적으로 우주에 암흑 물질이 충분히 있다면 우주는 팽창을 멈추거나 역행(최후에 대붕괴로 이끄는)하게 될 수도 있을 것이다. 실제로는 우주의 팽창이나 수축 여부는 암흑물질과는 다른 암흑에너지에 의해 결정될 것이라는 것이 일반적인 생각이다.

암흑물질 존재의 증거

암흑 물질에 대한 대부분의 증거는 은하 집단들의 연구로부터 온다. 이런 것들의 대부분이 대략적으로 정적이고 상당히 균일하게 나타나므로 그 중요한 이론에 의해 총 운동에너지는 은하들을 묶으려는 총 중력에너지의 반이 되어야 한다. 그러나 실험적으로 그 규모의 몇 배로 훨씬 더 많이 방출되고 있음이 발견되었으며 이는 보이는 물질들은 그 집단에서 극히 일부분일 거라는 추측이 이를 설명하기에 가장 직접적인 방법으로 남는다.

중력이론과 새로운 전산분석들로 천문학자들은 현재 암흑 물질이 어디에 위치할 것인가를 풀 수 있게 되었다. 그 결과는 암흑 물질과 은하들이 정확하게 같은 방식으로 운집되었을지의 예상했을 그대로다.

또한 은하 자체는 주로 암흑 물질을 이루고 있다는 신호들이 보인다. (예를 들어, 은하 내부에서의 회전과 실제 우리 은하 표면의 존재는 은하가 펼쳐진 암흑 물질의 무리를 포함하고 있는지를 가장 쉽게 설명해 준다.)

암흑 물질의 위치를 아는 것은 그 물질이 얼마나 존재하는지도 보여준다 : 일반물질의 약 7배(우주의 팽창을 멈추게 하기 위해 느리게 하는데 필요한 양의 1/4의 해당한다고 생각됨)

그것은 시각적으로는 탐지될 수 없기 때문에 암흑 물질의 구성은 이론상으로만 남는다. (DAMA연구기관에선 지구를 통과하는 암흑물질을 직접적으로 탐지를 주장해오고 있지만, 많은 과학자들이 그러한 증거를 기다리기 보단 회의적인 반응이다.) 은하규모의 블랙홀 같은 커다란 질량들은 시각적 자료의 근거에서 배제할 수 있다.

 암흑 물질의 발견

최근에 암흑 물질로 만들어진 '보이지 않는 은하'가 발견되었다고 한다. 이것은 역사상 처음이다. 이것은 얼핏 보면 상당한 질량을 가지고 있고 자전하는 은하처럼 보이지만, 그 내부는 암흑 물질로 이루어져 있다. 이 은하는 지구로부터 5,000만 광년 떨어져 있고, 육안이나 일반망원경은 물론, 적외선이나 자외선 탐지기로도 관측되지 않는다.

영국·이탈리아·프랑스·호주 등 4개국 과학자들로 구성된 연구진은 우주에 떠도는 수소를 연구하던 중, 처녀자리에서 태양의 1억 배 질량을 가진 이 '수소 원자 덩어리'(암흑 물질)을 발견했다. 이 암흑 물질은 방사선을 내뿜고 있어 영국 체셔주와 푸에르토리코에 설치된 전파망원경을 통해 그 존재가 드러날 수 있었다.

연구진의 한 과학자는 "만약 보통의 은하였다면 매우 밝아서 아마추어 망원경으로도 관측되었을 것"이라고 말했다.

천문학자들은 현재 우주이론상 암흑 물질은 일반 물질보다 5배 이상 많기에, 이번 발견은 우주 연구에 상당히 중요한 계기가 될 것이라고 하였다.

암흑 물질의 후보

물질암흑 물질을 구성하는 입자는 거의 전자기적으로 상호작용하지 않으므로, 일상적인 양성자나 전자 따위의 중입자로 구성되기 힘들다. 암흑 물질을 구성하는 가설적인 중입자 물질을 마초(MACHO, massive compact halo object)라고 한다. 예를 들어 블랙홀, 중성자별, 아주 어두운 백색왜성이나 갈색왜성, 떠돌이 행성 따위다. 현재 학계의 정설에 따르면, 설사 마초가 존재하더라도 이들은 우주 전체 암흑 물질 양 가운데 소량만을 이룬다.

일부 중입자나 중성미자는 전자기적으로 상호작용하지 않으므로 암흑 물질을 구성할 수 있으나, 학계의 정설에 따르면 이들 입자는 우주의 전체 암흑 물질 양 가운데 소량만을 이루고, 나머지는 현재 발견되지 않은 입자로 이루어진다. 현재 주로 거론되는 암흑 물질 후보는 최경 (最輕) 초짝입자 (LSP), 액시온, 불임 (sterile) 중성미자 따위다. 이들을 통틀어 윔프(WIMP, weakly interacting massive particle)라고 부른다.

초대칭 이론은 수많은 초짝입자(superpartner)의 존재를 예측한다. 그 중 가장 가벼운 입자는 (대부분의 모형에서는) 안정하다.

정확하게 어느 입자가 가장 가벼운지는 모형에 따라 다르지만, 대개 초중성입자(neutralino)나 초액시온 (axino) 따위다. 액시온은 페체이 퀸 이론에서 CP 문제를 풀기 위하여 도입하는 입자다. 이 입자 역시 전자기적으로 상호작용하지 않기 때문에 암흑 물질을 이룰 수 있다.

불임 중성미자는 일반적 중성미자의 미세한 질량을 설명하기 위하여 시소 메커니즘(seesaw mechanism)에서 도입하는 입자다.

만약 불임 중성미자가 매우 무겁다면 일반적 중성미자는 그만큼 가벼워진다.

윔프는 그 운동 속도에 따라 다음과 같이 나뉜다.

• 고온 암흑 물질 (HDM, hot dark matter) – 광속에 매우 가까운 속도
• 중온 암흑 물질 (WDM, warm dark matter) – 광속에 비교할 만한 속도
• 저온 암흑 물질 (CDM, cold dark matter) – 광속보다 매우 낮은 속도

우주론의 표준 모형(standard model of cosmology)은 저온 암흑 물질을 채택한다. 우주론의 표준 모형은 일명 ΛCDM 모형이라고도 부르는데, 여가서 "Λ"는 우주상수 (암흑 에너지), "CDM"은 저온 암흑 물질을 뜻한다. 그러나 저온 암흑 물질은 은하의 생성을 잘 설명하지 못하기 때문에, 아직 학계에서 정설이 없는 상태다.

원출처 : 화엄경보현행원(부사모)

글쓴이 : 법혜