중요한 물리 법칙이 깨졌습니다. 존재하면 안되는 입자가 발견됨.

 

 

 

여기 스스로를 파괴하는 존재가 있습니다.

 

지금껏 어떤 과학자도 목격한 적 없는, 아주 기이한 형태를 가진 존재죠.

 

마치 처음부터 짜인 각본처럼, 태어나마자 순식간에 자신을 지워버리는 모습.

 

그 모습은 평생을 입자들과 씨름해 온 물리 학자들마저 당혹케 만들었습니다.

 

우리가 알고 있던 물리학의 단단한 벽에, 처음으로 균열이 생긴 순간이었습니다.

 

이번 연구는 Physical Review Letters에 정식 게재되었습니다.

 

 

 

 

 

 

이 세상이 안정적으로 유지되고 있는 이유.

 

그것은 바로, 세상을 이루는 원자들 대부분이 아주 안정적이기 때문입니다.

 

양성자와 중성자들이 적절하게 균형을 이룬, 아주 균형잡힌 세상이죠.

 

과학자들은 이렇게 안정된 원자들로 구성된 상태를, '안정성의 계곡'이라 부릅니다.

 

하지만 모든 구조가 그렇듯, 이 안정성의 계곡에도 가장자리는 존재하는데요.

 

바로 '양성자 드립라인'이라고 불리는 한계선입니다.

 

 

 

 

 

넘어서게 되면 모든 것들이 그 즉시 붕괴하게 되는, 절대적인 이 세상의 한계선이죠.

 

즉, 이곳은 우리의 물리학 이론상, 그 무엇도 허락되지 않는 금단의 영역입니다.

 

그런데 얼마 전, 이 이론의 가장자리에서 아주 이상한 가능성이 포착되었는데요.

 

너무나도 불완전하고 치명적인 결함을 가졌지만, 그래도 원자핵이 존재할 수 있다는 가능성이었습니다.

 

그것은 양성자 13개와 중성자 7개라는, 극도로 불안정한 조합을 가진 원자핵의 신호였죠.

 

사실 원자핵의 세계는 본질적으로 '전쟁터'와 같습니다.

 

양성자는 플러스(+) 전기를 띠고 있어서, 자석의 같은 극처럼 서로를 맹렬하게 밀어냅니다.

 

그래서 좁은 공간에 많이 모일수록, 이 반발력은 상상을 초월할 정도로 강력해 지죠.

 

반면, 중성자는 이 싸움을 말리는 '중재자' 역할을 합니다.

 

 

 

 

 

전기적으로 중성이어서 반발력에 영향을 주지 않고, 오히려 양성자들을 서로 붙잡아두는 강력한 접착제 역할을 합니다.

 

안정적인 원자핵은 이 중재자, 즉 중성자가 충분히 많아 양성자들의 반발을 억누를 수 있는 상태를 말하는 겁니다.

 

그런데 양성자는 13개나 되는데, 이들을 말려야 할 중성자가 고작 7개뿐인 원자핵의 흔적...

 

만약 이것이 실제로 존재한다면, 결국 핵 내부의 반발력이 뭉치려는 힘을 압도하면서, 그 입자는 태어난 순간 붕괴할 수 밖에 없을 겁니다.

 

이것이 바로 과학자들이 이 상태를 '이론상 존재할 수 없다'라고 말하는 이유이죠.

 

그리고 이 원자핵은 양성자를 13개 가지고 있었습니다.

 

이 특징은 과학자들에게 매우 익숙한 것이었는데요.

 

바로 우리가 흔히 아는 '알루미늄'의 양성자 수와 정확히 일치하고 있었기 때문입니다.

 

하지만 결정적인 차이가 있었습니다. 바로 중성자의 수가 달랐죠.

 

알루미늄은 중성자의 수가 14개였지만, 이 원자핵은 중성자를 7개만 가지고 있었습니다.

 

 

 

 

 

그래서 과학자들은 이 입자가 알루미늄의 새로운 종류임을 나타내기 위해, '알루미늄-20'이라는 이름을 붙였습니다.

 

이제 문제는 이 이론상의 입자를 어떻게 찾아내고, 또 어떻게 관찰하느냐였는데요.

 

이론에 따르면 알루미늄-20은 만들어지는 순간, 눈 깜짝할 사이보다 훨씬 짧은 시간 안에 붕괴하게 됩니다.

 

존재했다는 흔적조차 남기기 않는 입자를, 어떻게 관찰할 수 있을까요?

이 불가능한 도전을 위해, 과학자들은 독일의 거대한 입자 가속기를 작동시켰습니다.

 

그리고 안정적인 마그네슘 원자를 빛의 속도에 가깝게 가속시켜, 다른 원자핵과 정면으로 충돌시켰죠.

 

그러자 이 엄청난 충격은 잠시나마 자연의 법칙을 비틀어, 상상할 수 없는 파편들을 쏟아냈습니다.

 

셀 수 없이 많은 입자들이 검출기를 스쳐 지나갔고, 대부분은 의미 없는 신호로 사라졌습니다.

 

이렇게 수많은 실패와 기다림의 시간이 반복되었습니다.

 

그러던 어느 날, 분석 데이터 속에서 아주 희미하지만 특별한 흔적이 나타났는데요.

 

이론이 예측했던, 바로 그 궤적과 에너지를 가진 입자.

 

마침내 알루미늄-20으로 보이는 입자를 어렵게 찾아낸 순간이었습니다.

 

 

 

 

 

 

결국 알루미늄-20은 실제로 존재하고 있었습니다. 그리고 역시 예상대로 순식간에 소멸하기 시작했죠.

 

그런데 그 소멸하는 모습이, 과학자들이 이론상으로 예측했던 모습과는 전혀 달랐습니다.

 

그것은 단순하게 그냥 사라지는 것이 아니었는데요.

 

마치 정해진 순서가 있는 것처럼, 아주 기묘한 2단계의 과정을 거쳐 사라지고 있었습니다.

 

첫 번째 단계로, 알루미늄-20은 먼저 양성자 1개를 밖으로 뱉어냈습니다.

 

스스로의 정체성을 바꾸며, '마그네슘-19'라는 새로운 원자핵으로 변신하게 되었죠.

 

두 번째 단계로, 새롭게 태어난 마그네슘-19 역시 자신의 불안정한 구조를 이기지 못하고, 그 즉시 양성자 2개를 다시 토해냈습니다.

 

이렇게 양성자의 수가 2개가 더 줄어서, 완전히 다른 원소인 '네온-17'로 또 다시 변하게 되었습니다.

 

결론적으로 알루미늄-20은, 총 2단계에 걸쳐 양성자 3개를 뱉어내고 소멸하게 되었죠.

 

하나의 핵이 붕괴하고, 그 결과물이 연이어 다시 붕괴하는 '연속 붕괴'.

 

 

 

 

 

이런 현상은 인류 역사상 단 한 번도 관측된 적이 없는, 완전히 새로운 방식의 소멸이었습니다.

 

하지만 진짜 미스터리는, 붕괴 과정에서 나온 에너지의 양을 측정했을 때였는데요.

 

실제 측정된 값이 기존 물리학 이론이 예측했던 수치와 너무나도 달랐기 때문이었습니다.

 

물리학에는 '아이소스핀 대칭성'이라는 아주 중요한 규칙이 있습니다.

 

원자핵의 양성자와 중성자 개수를 서로 바꿔도, 에너지 상태는 거의 같아야 한다는 규칙이죠.

 

예를 들어, 알루미늄-20(양성자 13개, 중성자 7개)은 '거울' 관계인 질소-20(양성자 7개, 중성자 13개)과 에너지 상태가 거의 같아야 합니다.

 

하지만 실제 실험에서 알루미늄-20이 남긴 에너지의 흔적은, 이 예측을 정면으로 위배하고 있었는데요.

 

질소-20의 이론상 값보다 훨씬 더 낮은, 설명할 수 없는 수치가 나오게 된 겁니다.

 

바로 이 두 입자간의 에너지 차이가, 대칭성의 규칙이 깨졌다는 결정적인 증거였죠.

 

즉, 우리가 알던 물리학 이론에, 커다란 균열이 생기는 순간이었습니다.

 

 

 

 

 

이것은 알루미늄-20의 내부 구조가, 우리가 알던 것보다 훨씬 더 복잡하고 기묘하다는 뜻이었는데요.

 

앞에서 설명했듯이, 알루미늄-20과 질소-20은 서로 상반되는 거울 입자입니다.

 

하지만 단 하나의 결정적인 차이가 있었죠.

 

바로 양성자끼리만 작용하는, 강력한 '전기적 반발력'의 차이였습니다.

 

일단 질소-20은 양성자 7개, 중성자 13개로 양성자의 반발력을 잘 억제합니다.

 

하지만 알루미늄-20은 양성자가 무려 13로, 7개의 중성자 수를 훌쩍 뛰어 넘고 있는데요.

 

그래서 양성자들이 좁은 공간에서 서로를 밀어내어, 그 내부 '스트레스'가 상상을 초월합니다.

 

이 엄청난 반발력이 결국 원자핵의 모양 자체를 찌그러트리고, 에너지 구조를 뒤틀게 되었죠.

 

이렇게 한쪽만 내부의 힘에 의해 구조가 변형되기 때문에, 두 쌍둥이는 더 이상 대칭을 이루지 못하게 됩니다.

 

이것이 바로 '아이소스핀 대칭성이 깨졌다'는 현상의 본질이었습니다.

 

 

 

 

 

 

결국 알루미늄-20의 발견은, 새로운 입자 하나를 찾은 것 이상의 의미를 가지고 있는데요.

 

우주의 기본 규칙이 절대적인 것이 아니라는 사실을, 처음으로 증명했기 때문입니다.

 

우리가 단단하다고 믿었던 이론의 완벽함에, 이 작은 원자핵이 처음으로 균열을 낸 거죠.

 

하지만 이 작은 균열은, 물리학의 다음 장을 여는 열쇠가 될지도 모릅니다.

 

이제 우리가 알던 물질의 세계는, 이전과 같지 않을 겁니다.