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- 캐나다의 닐 투로크(Neil Turok)와 동료 물리학자들"큰 바운스"에 대한 새로운 주장
- 빅뱅 너머에는 음의 쌍둥이 우주가 존재할 수 있다.

우리는 거울(mirror) 우주에 살고 있을까?
빅뱅 너머에는 음의 쌍둥이 우주가 존재할 수 있다.

빅뱅 너머:
우리 우주에는 모든 전하, 상호 작용 그리고 시간이 반영된 빅뱅 이전 우주인 "역전된" 쌍둥이가 있을 수 있다. 현재 물리학자들이 제시한 이 이론은 이상하게 들리지만 암흑 물질, "누락된" 반물질, 왼손잡이 중성미자의 신비를 포함해 우주론과 입자 물리학의 몇 가지 미해결 질문을 명확히 할 수 있다. 

▲ 빅뱅의 반대편에는 부호와 시간이 역전된 거울 우주가 있을 수 있다. 적어도 일부 이론 물리학자들은 그렇게 생각한다. © MMCD

대부분의 이론에 따르면 빅뱅은 모든 것의 시작이었지만 몇 가지 질문을 던진다. 빅뱅은 왜 물질이 우리 우주에서 반물질보다 우세한지, 왜 물질과 방사선이 설명할 수 없을 정도로 고르게 분포되어 있는지, 그리고 마지막으로 무엇이 빅뱅을 촉발할 수 있었는지 설명하지 않는다. 따라서 우리 우주 이전에 순환적 우주 또는 일종의 우주를 가정하는 물리학자들이 오래전부터 존재해 왔다.

전체 CPT(Charge, Parity, Time)로서의 우주는 대칭인가?

*CPT 정리(전하, 패리티, 시간; CPT 물리 법칙의 불변성이라고도 함)는 1954년 게하르트 뤼더스(Gerhart Lüders)와 1955년 볼프강 파울리(Wolfgang Pauli)에 의해 확립된 기본적인 물리 법칙이다. 물질을 반물질로 교환하고 공간을 추가로 반사하고 시간의 방향을 반대로 하여 또 다른 가능한 과정에서 발생하는 모든 과정도 물리법칙에 부합하므로 가능하다고 한다. CPT 정리의 타당성은 양자장 이론의 기본 속성이다.

캐나다의 Perimeter Institute for Theoretical Physics에서 닐 투로크(Neil Turok)와 함께 일하는 물리학자들은 이제 그러한 "큰 바운스"에 대한 새로운 주장을 제공하고 있다. 그들은 입자와 힘에 대한 표준 모델의 대칭 규칙이 우주 전체로 확장되면 어떻게 될지 조사했다. 이 규칙에 따르면 모든 상호 작용과 입자는 전하, 시간 및 패리티(공간 구성 및 상호 작용) 측면에서 대칭이다.

구체적으로 말하자면, 이것은 모든 입자에 대해 거울상처럼 닮은 상대가 있다는 것을 의미한다. 이 입자의 상호 작용은 시간이 거꾸로 흐르는 경우 미러링된 것처럼 실행된다. 이 소위 CPT 대칭이 빅뱅 이후 우리 우주 전체와 그 발전에도 적용된다면 어떨까? 우리 우주의 힘과 입자 대신에 시공간 자체도 반사될 수 있다.

두 거울 우주의 경계로서의 빅뱅

만약 그렇다면, 이것은 결정적인 결과를 낳을 것이다. "빅뱅 이전의 우주와 그 이후의 우주는 우주와 반우주의 쌍으로 볼 수 있었다"라고 Turok과 그의 팀은 설명한다. 그러면 빅뱅은 우리 우주의 시작일 뿐만 아니라 거울에 비친 우주의 시작이 될 것이다. 즉, 역전된 선사 시대와 역행하는 시간을 가진 일종의 쌍둥이 우주다.

그러면 두 쌍의 우주가 함께 CPT 대칭의 모든 규칙을 따를 것이다. 우리 우주만으로는 그렇지 않다. 동시에 이것은 현재 우주론 모델의 일부 불일치와 열린 질문을 명확히 할 수 있다.
"우리는 이 시나리오가 우리 우주의 모든 주요 특징을 설명할 수 있는 매력적이고 매우 경제적인 새로운 그림을 그린다고 생각한다"라고 물리학자들은 말한다.

반물질 결핍 및 평형 문제에 대한 설명

이것의 예: 지금까지 반물질이 우리 우주의 물질보다 지배적인 이유는 완전히 불분명했다. 왜냐하면 둘 다 빅뱅 동안 정확히 같은 비율로 생성되었을 것이기 때문이다. 그러나 거울 우주가 있다면 대칭의 이 노골적인 붕괴는 스스로 균형을 이룬다. Turok과 그의 동료들은 "빅뱅 이후의 우주에는 물질이 약간 과잉인 반면, 빅뱅 이전의 우주에는 약간의 반물질이 있었다"라고 말했다. 이렇게 하면 전체 대칭이 복원됩니다.

거울 우주의 존재는 또한 우리 우주가 어떻게 그렇게 빠르게 커지고 균일해질 수 있었는지에 대한 질문을 명확히 할 수 있다. 지금까지 빅뱅 동안 우주가 빛보다 빠른 가상의 팽창인 우주 팽창으로 이것을 설명하려는 시도가 있었다. 그러나 이 추진력이 존재했다면 실제로 우주 배경 복사와 원시 중력파에 흔적을 남겼을 시공간 난기류를 일으켰어야 했다.

그러나 지금까지 천문학자들은 집중적인 수색에도 불구하고 그러한 인플레이션 유물을 증명하지 못했다. 빅뱅이 두 거울 우주 사이의 일종의 전환점이었다면 Turok과 그의 동료들이 주장하는 것처럼 물질 과잉이 필요하지 않았을 것이다. 대신 이 전환과 관련된 물리적 프로세스가 설명을 제공한다. "초기 우주의 단순한 구조와 내용과 같은 일부 측면은 CPT 대칭으로 설명될 수 있다"라고 물리학자들은 말했다.

중성미자 스핀 문제에 대한 해결책

또 다른 요점:
지금까지 우리 우주에 "왼손잡이" 중성미자만 있는 것처럼 보이는 이유가 불분명하다. 다른 모든 기본 입자에는 스핀과 관련된 오른쪽 및 왼쪽 변형이 있다. 그러나 알려진 세 가지 중성미자 유형의 경우 스핀은 운동 방향과 관련해 왼쪽으로만 회전한다. 이제 우주 자체가 CPT 대칭이라면 오른손잡이 중성미자도 있어야 한다.

물리학자들이 보고한 바와 같이 이것 또한 사실이다. 그들의 계산에 따르면 CPT 대칭 우주에서 세 가지 유형의 오른손잡이 중성미자가 발생했어야 한다. 이것들은 이전에 알려진 형태보다 더 무거울 것이고 그 중 하나만이 오늘날까지 존재할 수 있을 만큼 충분히 강할 것이다.
물리학자들은 "우주가 CPT 불변 상태에 있다는 단순한 사실은 이 중성미자가 0이 아닌 풍부함을 가져야 한다는 것을 의미한다"라고 설명했다.

▲ 빅뱅은 거울에 비친 두 우주 사이의 경계를 형성하는 것 뿐일까? © L. Boyle/Perimeter Institute for Theoretical Physics

암흑물질 입자로서의 오른손잡이 중성미자?

흥미로운 점은 이 무거운 오른손잡이 중성미자를 안정화시키는 과정이 우리의 탐지기에도 보이지 않게 만든다는 것이다. 중력을 통해서만 정상적인 물질과 상호 작용해야 한다. 그러나 이 가상의 중성미자는 오랫동안 찾아온 암흑 물질 입자의 특성을 정확히 보여준다. 사실, 이 입자가 "멸균된" 중성미자일 수 있다는 몇 가지 가설이 있다.

"따라서 오른손잡이 중성미자 3개 중 하나는 암흑 물질의 좋은 후보가 된다"라고 Turok과 그의 동료들은 말했다. 그들의 계산에 따르면, 그러한 중성미자는 암흑 물질의 질량이 4.8 x 108 GeV(기가전자볼트)라면 그 밀도를 설명할 수 있다. 그러나 대부분의 천체 물리학자들은 현재 그러한 무거운 암흑 물질 입자를 가능성이 희박하다고 생각한다. 대신 알려진 중성미자보다 가벼운 암흑 물질 입자가 선호된다.

거울 우주를 어떻게 증명할 수 있을까?

거울 우주의 개념은 여전히 ​​​​물리적 이론에 불과하며 우리가 도달 할 수 없는 이 쌍둥이 우주에 대한 직접적인 증거는 불가능하다. 그러나 Turok과 그의 동료들은 CPT 대칭 우주에 대해 말할 수 있는 실험적으로 검증 가능한 증거 중 최소한 몇 가지를 언급한다. 이전에 알려진 중성미자 중 하나가 질량이 없는 것으로 밝혀지면 이는 중성미자가 마요라나 입자로 판명되면 입자 자체가 반입자인 것으로 판명될 것이다.

물리학자들이 설명하는 것처럼 최적화된 검색에도 불구하고 원시 중력파가 감지되지 않는다면 또 다른 단서가 될 수 있다. 그들은 이제 CPT-대칭 우주 모델을 더욱 공식화하고 이것이 우리 우주론에 어떤 결과를 가져올지에 대한 더 명확한 그림을 얻으려고 한다.
(Preprint, 2022; arXiv:1803.08930)
출처: American Physical Society, arXiV

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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