초기 우주가 아주 뜨겁고 끈적한 '원시 수프' 상태였다는 사실이 실험으로 다시 한 번 확인됐다. 과학자들은 우주가 탄생한 직후 잠깐 존재했던 물질이 실제로 액체처럼 움직였다는 직접적인 증거를 찾아냈다고 웹사이트 PHYS.org가 전했다.

미국 매사추세츠공과대(MIT) 연구진이 참여한 국제 연구팀은 스위스 제네바에 있는 유럽입자물리연구소(CERN)의 대형 강입자 가속기(LHC) 실험을 통해, 초기 우주를 채웠던 '쿼크-글루온 플라즈마(quark-gluon plasma)'가 진짜 수프처럼 흐르는 성질을 가졌다는 사실을 관측했다고 밝혔다.

연구 결과는 국제 학술지 피지컬 레터스 B(Physics Letters B)에 실렸다.

우주가 막 태어났을 때는 온도가 1조 도가 넘어, 지금의 원자보다 더 작은 입자인 '쿼크'와 '글루온'이 자유롭게 떠다니는 상태였다. 과학자들은 이를 '쿼크-글루온 플라즈마'라고 부른다. 이 상태는 우주 탄생 직후 아주 짧은 시간만 존재했고, 이후 식으면서 오늘날의 양성자와 중성자 같은 입자들이 만들어졌다.

연구진은 이 원시 물질을 직접 볼 수는 없기 때문에, 가속기에서 납과 같은 무거운 원자를 빛의 속도에 가깝게 충돌시켜 비슷한 환경을 인공적으로 만들었다. 이 과정에서 쿼크-글루온 플라즈마가 아주 짧은 순간 생성된다.

이번 연구의 핵심은 플라즈마 속을 빠르게 지나가는 쿼크가 물속을 헤엄치는 오리처럼 '물결 자국'을 남긴다는 사실을 확인한 것이다. 연구진은 쿼크가 지나간 자리에서 주변 물질이 출렁이며 소용돌이치는 모습을 관측했다. 이는 쿼크-글루온 플라즈마가 입자들이 제각각 흩어지는 상태가 아니라, 고속으로 움직이는 입자에 대해 액체처럼 반응해 출렁이고 튀는 현상을 보인다는 최초의 직접적인 증거다.

연구를 이끈 MIT의 옌제 리 교수는 "그동안 이 플라즈마가 정말 액체처럼 행동하는지 논쟁이 많았다"며 "이번 실험을 통해 매우 밀도가 높은 상태에서 쿼크를 느리게 만들고, 물결과 파동을 만들어내는 진짜 '원시 수프'라는 점을 확인했다"고 설명했다.

연구진은 기존과 다른 방법도 사용했다. 보통 쿼크는 반대 방향으로 움직이는 다른 쿼크와 함께 만들어져 관측이 어려웠다. 대신 연구팀은 플라즈마 속을 지나가는 단일 쿼크와, 주변에 거의 영향을 주지 않는 'Z 보손(Z boson)'이라는 입자를 함께 분석했다. Z 보손은 자연의 기본 힘 가운데 하나인 약한 힘(약력)을 전달하는 기본 입자다. 쉽게 말해 입자들이 변하거나 붕괴할 때  힘을 전달하는 메신저 역할을 한다. Z 보손이 기준점 역할을 하면서, 쿼크 하나가 만든 물결 효과를 더 뚜렷하게 관찰할 수 있었다.

과학자들은 이런 물결의 크기와 속도, 사라지는 시간을 분석하면 초기 우주 물질의 성질을 더 정확히 알 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이번 성과는 우주가 태어난 직후 어떤 상태였는지를 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다는 평가다.

연구진은 "이번 연구 결과는 초기 우주가 정말로 끈적한 수프 같은 액체였다는 사실을 처음으로 분명하게 보여준 사례"라며 "앞으로 이 신비한 물질의 성질을 더 자세히 연구할 수 있는 길이 열렸다"고 밝혔다.