태초의 수 마이크로초 동안

최근 실험에서 물리학자들은 초기 우주의 상태를 재현하는 놀라운 결과를 보여 주고 있다.
글 | Michael Riordan, William A. Zajc














지난 5년 동안 수백 명의 과학자들이 우주가 탄생했을 때의 상태를 재현하기 위해 롱아일랜드1)의 브룩헤이븐 국립연구소(Brookhaven National Laboratory)에 있는 강력하고 새로운 충돌형 원자가속기를 사용해왔다. 상대론적 중이온 충돌형 가속기(Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC, “릭(rick)”이라 발음함)라 불리는 이 장치는 금원자의 핵으로 이루어진, 거의 광속에 가깝게 움직이는 두 개의 빔(beam)을 정반대 방향으로 충돌시킨다. 이러한 원자핵 사이에서 발생한 충돌로 빅뱅2) 직후 최초의 수 마이크로초3) 동안에 일어났던 것과 유사한, 물질과 에너지의 매우 뜨겁고 밀도가 높은 폭발이 일어난다. 이 짧은 시간 존재하는 “미니뱅(mini bang)”은 물리학자들에게 창조의 초기 순간의 일부를 가장 잘 보여주는 창(窓)을 제공해준다.

그 초기 순간에 물질은, 여기저기로 날아다니고 무작위로 서로 충돌하는 쿼크4)와 글루온(gluon)이라는 입자들로 이루어진 초고온에 초고밀도 혼합물이었다. 소량의 전자와 광자(photon), 다른 가벼운 기본입자들이 이 수프에 양념으로 들어있었다. 이 혼합물의 온도는 수조 도로, 이는 태양의 핵(core)의 온도보다 십만 배나 더 높은 온도였다.

그러나 현재의 보통 기체가 빠르게 팽창할 때 냉각되는 것과 같이, 우주도 팽창하면서 온도가 급격히 떨어졌다. 쿼크와 글루온이 짧게나마 서로 붙기 시작할 정도로 그 속도가 느려졌다. 약 10마이크로초가 지난 후, 쿼크와 글루온은 서로간의 강한 핵력5)에 의해 서로를 속박하게 되었고, 물리학자들이 총체적으로 “강입자(hadron)”라 부르는 양성자나 중성자, 또는 다른 강상호작용하는 입자들 내부에 영원히 감금되게 되었다. 이와 같은 .....