반물질(反物質)은 물질과 질량 및 스핀이 같고 전하(電荷)가 반대인 물질이다.
물질이라는 말 대신 입자(粒子)라는 말을 써도 변하는 것은 없다.
두 입자(입자와 반입자)는 서로 닿는 순간 감마선이라는 에너지로 바뀌면서 폭발(소멸)한다. 이를 쌍소멸이라 한다.
물리학자 프랭크 클로우스는 이를 물질이 반물질이라는 자신의 분신을 만나 상쇄되면서 죽음의 춤을 춘다고 표현한다.
전자의 반물질이 양전자(陽電子)이다.(전자는 전기적으로 마이너스 즉 음陰이다.)
클로우스에 의하면 우주에서 138억년 전 있었던 물질과 반물질 사이의 전쟁은 물질의 승리로 끝났다.(‘반물질‘ 107 페이지)
천체물리학자 닐 디그래스 타이슨은 자신이 생각하는 최상의 동력은 효율 100 퍼센트를 자랑하는 반물질이라는 말을 한다.(‘스페이스 크로니클‘ 287 페이지)
타이슨은 반물질의 존재를 굳게 믿는다. 믿는다는 말을 하니 이상하지만 타이슨에 의하면 반물질의 존재가 처음 예견된 것은 1928년이다.
그 유명한 폴 디랙에 의해서이고 그로부터 5년 후인 1933년 칼 앤더슨은 반물질을 최초로 발견하여 노벨상을 수상했다.
세계는 반물질이 아닌 물질로 이루어졌다.
입자물리학자/ 우주론 연구자 리사 랜들에 의하면 통상적인 물질의 질량 대부분은 양성자와 중성자에 들어 있지 그 반입자에 들어 있지 않다.
랜들은 물질과 반물질 사이의 이런 비대칭성이 세계가 우리가 아는 대로 이루어지는 데 있어서 필수불가결한 역할을 한다고 말한다.(‘천국의 문을 두드리며‘ 158 페이지)
소립자 물리학자 무라야마 히토시는 10억 분의 2 정도의 차이로 물질이 반물질보다 많았기 때문에 반물질이 모두 사라졌음에도 물질이 남을 수 있었을 것이라 말한다.
히토시는 물질과 반물질은 분명 같은 수량이 탄생했을 테니 상식적으로 생각하면 이 우주에 남는 것이 하나 없어야 한다고 말한다.
즉 물질도 반물질도 없는 텅 빈 세상이 되어야 한다. 히토시는 우리가 이 우주에 존재하는 미스테리 해명의 열쇠를 중성미자(neutrino)가 쥐고 있을 것이라 말한다.(‘왜, 우리가 우주에 존재하는가‘15 페이지)
히토시는 표준이론에서 질량이 0인 것으로 알려졌던 중성미자에 무게가 있는 것으로 밝혀진 것을 사건이라 표현한다.(표준이론은 중성미자의 무게가 0이라는 전제하에 만들어졌다.)
히토시는 중성미자는 예외 없이 왼쪽 돌기였다고 말한다.(89 페이지) 히토시는 중성미자의 반물질인 반중성미자를 이야기한다.
중성미자와 반중성미자도 다른 물질 - 반물질 커플처럼 1;1로 생성되었지만 중성미자가 살짝 장난을 쳐서10억 개 중에 한 개만 반중성미자와 중성미자의 균형을 깼을 가능성이 있다는 것이다.(104 페이지)
극단으로 놀라운 일이고 대적할 것이 없을 정도로 기막힌 사건이다.
그런데 친절한 설명에도 불구하고 소립자 세계의 이야기는 어렵다.
다만 내가 반물질을 이야기하고 중성미자를 이야기하는 것은 히토시의 책 제목처럼 우리가 이 세계에 존재하는 이유를 알고 싶어서가 아니라는 말을 하고 싶다.
지금은 그것을 밝힐 단계가 아니라는 이야기이지 그 이유가 궁금하지 않은 것은 아니다.
히토시는 중성미자를 이야기하며 우리는 우주에 존재해야만 ‘한다‘고 말한다.(‘했다‘고 해야 맞을 것이다. 번역의 문제)
결론은 무엇인가? 반물질을 이야기하고 중성미자를 이야기하는 것은 세상이 너무 단조롭고 무미하게 느껴지기 때문이다. 사실이다.
아무리 그래도 세상이 단조롭고 무미하다고 반물질에 관심을 갖는 것은 아주 드문 경우이니 입자물리학자이자 실험물리학자인 리언 레더먼이 한 말을 전하고 싶다.
˝반물질은 물리학에서 엄청나게 중요한 테마이다. 특히 입자물리학자의 삶은 반물질과 복잡다단하게 얽혀 있다.˝(‘신의 입자‘ 321 페이지)
반물질을 양자(量子) 이론이 일궈낸 또 하나의 위대한 성공이라 말하는 레더먼에 의하면 C(charge conjugation)P(Parity) 대칭이 살짝 붕괴되어 물질이 반물질보다 더 많았기 때문에 이들이 몽땅 사라진 후 남은 초과분이 우리를 포함한 현재의 우주를 만들었다.(‘신의 입자‘ 502 페이지)
그 대칭 붕괴가 다행이라고는 생각되지 않는 것이 솔직한 내 심정이다.