[우주과학] 반물질이란 무엇이며, 오늘날의 우주에서 사라진 이유는?

입자와 반 입자는 전하와 같은 반대 특성을 가지고 있습니다. 예를 들어, 음의 전자의 반입자는 양의 양전자입니다. 우리가 알고 있는 모든 물리학 과정은 동일한 양의 물질과 반물질을 생성합니다.

입자가 반입자를 만나면 '소멸'하여 궁극적으로 고에너지 광자로 변합니다. 따라서 우주는 물질도 반물질도 포함하지 않고, 광자의 바다여야 합니다. 하지만, 그 대신에 약 2조 개의 은하를 만들기에 충분한 물질을 포함하고 있으며, 우리가 아는 한 반물질은 없습니다.

모든 반물질에 무슨 일이 일어났는지에 대한 단서는,

빅뱅의 우주 배경 복사가 오늘날 우주의 모든 물질 입자에 대해 약 100억 개의 광자를 포함하고 있다는 사실에서 나옵니다. 이것은 빅뱅에서 100억 개의 반물질과 100억 개의 반물질에 대해 각각 대응하는 1개씩의 물질 입자가 있어서, 모든 물질 입자에 대해 소멸을 거듭한 끝에 100억 개의 광자가 생겨났다는 것을 말해줍니다.

 

물리학자들은 빅뱅에서 반물질에 대한 물질의 과잉을 설명할 수 있는 물리학 미묘한 비대칭성 법칙을 오랫동안 찾아왔습니다. 그리고 그들은 중성미자의 행동 패턴에서 그것을 발견했을 수도 있다고 생각합니다.

중성미자는 물질과 거의 상호 작용하지 않는 유령 같은 아원자 입자입니다. 그리고, 중성미자에는 세 가지 유형이 있으며, 각 중성미자는 전자-중성미자에서 뮤온-중성미자, 타우로 지속적으로 바뀝니다.

양극 입자(빨간색)와 음극 입자(녹색)가 소멸 시점에서 멀어지는 방향으로 곡선을 이루고 있습니다.

2016년부터 일본 T2K 실험의 물리학자들은 중성미자가 반중성미자와 다르게 행동한다는 것을 보여주려고 노력해 왔습니다. 이를 위해 도카이의 시설에서 뮤온-중성미자와 뮤온-반중성미자 빔을 생성하여 295km 떨어진 거대한 지하 슈퍼 카미오칸데 탐지기로 보냅니다.

 

지금까지 그들은 예상보다 더 많은 전자-중성미자와 더 적은 수의 전자-반중성미자를 탐지 했는데 , 이는 중성미자가 반중성미자와 다르게 행동한다는 것을 암시합니다. 

중성미자는 질량이 너무 작아 우주에 많은 변화를 가져오지 못했습니다. 그리고, 결정적으로 그것들은 비행 방향을 중심으로 시계 방향으로만 회전할 수 있습니다. 그래서, 물리학자들은 빅뱅에서 중성미자와 반중성미자가 반대로 회전 하는 초중량 파트너가 있었다면 어떻게 되었을까하는 의문을 품고 있습니다.

 

아무튼 이 수퍼중량의 입자들은 빅뱅의 고에너지 조건에서만 형성될 수 있었고, 오늘날 우리가 보는 입자로 빠르게 붕괴되었을 것입니다. 그로 인해 물질 100억개와 반물질 100억 개당 각 1개씩의 물질입자를  생성할 수 있었고, 이러한 비대칭성은 우주 배경복사를 통해 표식이 남아있습니다. 우리는 이를 통해 오늘날 물질로만 이루어진 우주가 설명될 수 있다고 믿는 것입니다.