제3장 우주론
4. 대폭발 우주의 진화 과정
다. 결국 이 시기에 우주는 물질로 채워지게 되며 만분의 일초가 되기 전까지 물질의 기본 입자인 쿼크를 만들 수 있게 되는데 이 시기에 우 주는 쿼크와 전자, 빛 등으로 구성된 혼탁한 상황으로 변하게 된다.
CERN의 ALICE 에서는 이때와 같은 고온의 플라스마 쿼크 상태를 만들기 위해 중이온 충돌 실험을 하고 이때 은(Ag)이나 납(Pb)을 쓸 수가 있는데 미국에서는 주로 은을 ALICE에서는 납이온을 사용한다.
납은 알다시피 매우 무거운 원자이다. 여기서 전자를 떼어내어 1,150TeV까지 가속 충돌시킴으로써 강한 상호작용을 통해 무수한 쿼 크와 글루온이 플라즈마 상태를 이루는 쿼크-플라즈마를 관찰하는 실 험이다. 이를 Little bang 실험이라고도 한다.
[그림 3-4-1] LHC로 알아보는 빅뱅 실험 ⓒCERN
이후에 10-23 에서 10-6초 사이에 전자기력과 약한 핵력도 분리되 는데 이때를 하드론(Hadron)시대라 한다. 하드론은 무거운 입자 즉 양 성자, 중성자 등을 의미하는데 모든 쿼크들이 하드론을 형성하며 이 때
쿼크스프상태에서는 문제없던 비대칭(생성시 입자들의 비율이 1:1 이 아닌)이 문제가 된다. 이후로는 광자의 에너지가 줄어들어 더 이상 쿼 크, 반 쿼크 쌍을 만들 수 없게 된다. 쿼크 쌍의 소멸로 생긴 광자도 에 너지가 낮아진다. 그러나 여전히 전자나 중성미자 같은 경입자 생성은 가능한 상태이다. 10억 쌍 하드론의 소멸로 10억 개의 광자를 생성하 고 단 하나의 하드론이 남아 물질(은하, 별, 행성, 인류를 구성하는)이 된다. 현재 우주에서 자연스럽게 존재하는 반입자는 여전히 발견되지 않고 있다. 만약 비대칭이 안 일어났다면 모든 질량을 가진 입자는 생 성 1 초 이내에 소멸하여 암흑물질은 제외한 나머지는 모두 에너지로 변하고 우주에는 빛(광자)만 가득하게 되어 백색 공간과 존재를 찾을 수없는 질량을 가진 상태가 되어있을 것이다.
10-6에서 1초 사이에 우주는 100억K 이하의 온도로 차가와지며 전 자와 양전자가 쌍소멸로 대부분 사라지게 된다. 이들 역시 비대칭이 작 용해 10억 개 전자쌍 중 하나의 비율로 전자가 살아남으며 10억 개의 광자를 우주에 공급하게 된다. 질량이 큰 중성자는 질량이 작은 양성자 로 변화하지만 질량이 작은 양성자는 우주의 온도가 내려감으로 인해 반응할 자유전자를 찾기 어려워서 중성자가 되기도 어려운 상태다. 중 성자:양성자 간 개수 비율이 1: 8(혹은 1:7)이 되면서 개수 평형도 깨 지게 된다.
1초에서 3분까지 중성자:양성자 비율이 1:8이 되면서 2개의 양성자 와 2개의 중성자가 결합해 헬륨을 만드는 반응이 끝날 때쯤 우주에는 14개의 수소와 1개의 헬륨 비율로 물질 구성이 이루어진다. 즉 우주 탄 생 태초 약 “3분” 후에 우주의 물질질량의 75%는 수소이고 25%는 헬
륨, 그리고 그 이상의 무서운 원소는 아직 형성되지 않은 상태가 되는 데 이때 아주 극소량의 리튬, 보론 등이 존재하고 있었다. 초기 우주의 수소와 헬륨의 질량비에 대해서는 1946년 조지 가모프가 처음으로 주 장하였는데 간접적 관측을 통해 가장 오래된 별들이 주로 76~77% 의 수소와 23~24%의 헬륨, 0%의 다른 원소로 되어 있음을 확인할 수 있 다. 그렇다면 그 외의 다른 원소들은 언제 어디에서 생겼을까? 이 문제 는 대폭발 이론을 앞장서서 비판하던 프레드 호일에 의해 별의 생성과 진화과정에서 만들어진다는 것이 밝혀지게 된다. 따라서 빅뱅 이후 처 음 3분 동안의 핵융합은 대폭발 이론을 우주탄생의 강력한 이론적 증 거로 확신할 수 있게 받아들여지게하는 중요한 부분이 되고 있다.
이때로부터 50만년 동안 우주는 물질입자(수소원자핵, 헬륨원자핵, 전자)들이 광자와 상호작용하느라 먼 거리까지 이동할 수 없던 암흑시 기로 불투명한 상태이며 전자는 광자들과 부딪히면서 광자와 원자핵들 사이를 떠돌아다니고 있었다. 50만년 이후 우주 온도가 3000K 이하로 냉각되면서 전자의 자유가 박탈당하고 원자핵에 붙잡히면서 원자를 형 성하게 되는데 이때 수소원자와 헬륨 원자의 비율은 약 9:1에 해당된 다. 광자들은 자유로운 이동이 가능하게 돼서 비로소 물질로부터 해방 된 빛이 날아가기 시작했으며 이 빛이 우리에게 붙잡힌 것이 바로 우주 배경복사이다.