우리는 왜 존재하는가? 철학적인 질문처럼 들리지만, 이는 현대 물리학이 풀지 못한 가장 거대한 수수께끼 중 하나다. 

약 138억 년 전, 우주가 '빅뱅(Big Bang)'으로 처음 탄생했을 때를 상상해 보자. 물리학의 기본 법칙인 '표준모형(Standard Model)'에 따르면, 우주가 시작될 때 물질(Matter)과 그와 반대되는 성질을 가진 반물질(Antimatter)은 정확히 똑같은 양이 만들어졌어야 한다.

물질과 반물질은 만나면 서로를 파괴하며 빛(에너지)으로 변해 사라진다. 이를 '쌍소멸'이라고 한다. 만약 이론대로라면 태초의 우주는 물질과 반물질이 서로 부딪쳐 모조리 사라지고, 텅 빈 공간에 빛만 가득했어야 한다. 별도, 지구도, 우리 인간도 존재할 수 없어야 했다. 하지만 지금 우리는 엄연히 존재한다. 

이는 태초에 반물질보다 물질이 아주 조금 더 많이 살아남았다는 증거다. 도대체 무엇이 이 미세한 불균형을 만들어 우리를 존재하게 했을까? 과학자들은 그 답을 '유령 입자'라 불리는 중성미자(Neutrino)에서 찾고 있다.

138억 년 전, 우주를 살린 '반칙'

물리학자들은 이 미스터리를 풀기 위해 자연계의 완벽한 균형이 깨진 순간, 즉 'CP 대칭성 깨짐(CP Violation)'이라는 현상에 주목한다. 쉽게 말해, 자연이 물질과 반물질을 대할 때 미묘하게 '차별 대우'를 했다는 것이다.

최근 전 세계 물리학계가 주목할 만한 연구 결과가 나왔다. 미국의 '노바(NOvA)' 실험팀과 일본의 'T2K' 실험팀이 지난 16년 동안 축적한 데이터를 하나로 합쳐 분석한 것이다. 이들은 각각 미국 페르미 연구소와 일본 J-PARC 가속기에서 중성미자 빔을 쏘아 수백 킬로미터 떨어진 검출기에서 이를 포착해 왔다.

두 거대 실험 그룹의 연합 작전은 마치 흐릿했던 두 장의 사진을 겹쳐 선명한 한 장의 사진을 만드는 것과 같다. 연구팀은 중성미자가 비행하는 동안 성질이 변하는 '진동(Oscillation)' 현상을 역사상 가장 정밀한 수준으로 분석했다. 이 분석은 중성미자와 그 반대인 반중성미자가 서로 다르게 행동하는지, 즉 우주가 물질을 편애한 결정적 증거가 있는지를 확인하는 과정이다. 

캘리포니아 공과대학(Caltech)의 라이언 패터슨 교수는 "이번 통합 분석은 중성미자에서 대칭성 위반이 일어나는지, 만약 그렇다면 그 정도가 얼마나 되는지 밝혀내는 중요한 이정표"라고 설명했다.

딸기맛이 초콜릿맛으로? 기묘한 '변신'

그렇다면 '중성미자'란 도대체 무엇일까? 지금 이 순간에도 당신의 엄지손가락 면적에만 초당 약 100조 개의 중성미자가 지나가고 있다. 하지만 이 입자는 전하(전기적 성질)가 없고 질량이 거의 '0'에 가까월 다른 물질과 거의 반응하지 않는다. 벽도, 지구도, 우리 몸도 그냥 통과해버려 '유령 입자'라는 별명이 붙었다. 

이 유령 입자의 가장 기이한 특징은 변신 능력이다. 중성미자는 전자(Electron Neutrino), 뮤온(Muon), 타우(Tau)라는 세 가지 '맛(Flavor)'을 가지고 있다. (물리학자들은 중성미자의 종류를 구별하기 위해 '맛'이라는 재미있는 표현을 쓴다.)

그런데 이 녀석들은 우주 공간을 날아가는 도중에 맛을 바꾼다. 미국 시카고 인근에 있는 에너지부 산하 페르미 국립 가속기 연구소(Fermilab)에서 쏜 '뮤온 중성미자'가 800km 떨어진 미네소타의 검출기에 도착할 때는 '전자 중성미자'로 변해 있는 식이다. 캘리포니아 공과대학은 이를 아주 쉽게 비유했다. "가게에서 딸기맛 아이스크림을 사서 집으로 걸어가는 동안, 아이스크림이 저절로 초콜릿 맛이나 바닐라 맛으로 변하는 것과 같다."

이번 미·일 공동 연구팀은 이 '변신 과정(중성미자 진동)'을 정밀하게 추적해 중성미자의 질량 차이를 2% 오차 범위 내로 좁히는 데 성공했다. 이는 역대 가장 정밀한 측정값이다. 이 정밀한 데이터는 중성미자가 물질과 반물질 사이의 균형을 깬 주범이라는 '심증'을 '물증'으로 바꾸는 데 필수적인 지도 역할을 한다.

교과서와 다른 신호…'새 물리학' 예고

이번 연구가 흥미로운 또 다른 이유는 현재 인류가 알고 있는 물리학의 정석인 '표준모형'을 넘어설 가능성을 보여줬기 때문이다. 표준모형은 우주를 구성하는 기본 입자와 힘을 설명하는 아주 훌륭한 이론이지만, 중력이나 암흑물질을 설명하지 못하는 등 완벽하지 않다.

연구팀은 중성미자의 전하 반경과 '약한 상호작용(Weak Force)' 데이터를 분석하는 과정에서 기묘한 현상을 발견했다. 중성미자의 전하 반경은 표준모형의 예측과 일치했지만, 약한 상호작용의 결합 변수들이 예상과는 다르게 뒤바뀐 듯한 패턴을 보인 것이다. 이탈리아 국립 핵물리 연구소의 프란체스카 도르데이 박사는 "아직 단정하기는 이르지만, 이는 표준모형 너머의 새로운 물리학(New Physics)이 존재할 수 있음을 암시하는 흥미로운 신호"라고 밝혔다.

이는 마치 완벽해 보이던 퍼즐 조각 중 하나가 기존의 그림과는 맞지 않는 모양을 하고 있는 것과 같다. 과학자들은 이 어긋난 조각이 우리가 아직 알지 못하는 미지의 우주 법칙, 혹은 암흑물질의 비밀을 푸는 열쇠가 될 수 있다고 기대하고 있다.

지하 1km 실험실의 '유령 사냥'

중성미자 연구는 이제 막 걸음마를 뗐을 뿐이다. 과학자들은 더 확실한 증거를 찾기 위해 차세대 실험을 준비 중이다. 미국은 거대 심층 지하 중성미자 실험인 'DUNE'을, 일본은 기존보다 훨씬 거대한 '하이퍼 카미오칸데(Hyper-Kamiokande)'를 건설하고 있다.

이 시설들이 2028년경 본격 가동되면, 우리는 중성미자가 물질과 반물질을 차별하는 결정적 순간을 포착할 수 있을지도 모른다.

독일 막스플랑크 연구소에 따르면, 우리가 눈으로 보고 만질 수 있는 물질은 우주 전체의 5%에 불과하다. 나머지 95%는 정체를 알 수 없는 암흑물질과 암흑에너지다. 중성미자는 이 95%의 미지 세계와 우리를 연결해 줄 유일한 통로일 수 있다.

138억 년 전, 우주가 한 줌의 빛으로 사라지지 않고 별과 은하, 그리고 당신을 만들어낸 그 기적 같은 '우연'의 비밀. 인류는 이제 그 비밀을 쥔 '유령'의 꼬리를 잡기 위해 지하 깊은 곳 거대 실험실에서 우주의 가장 작은 입자와 숨바꼭질을 하고 있다.