신은 왼손잡이인가? – 약한 핵력에서 CP위반

소립자를 찾아서
Yuval Ne’eman, Yoram Kirsh (지은이), 김재관, 신현준 (옮긴이) | 미래사 | 1993-12-01 | 원제 The Particle Hunters

1954년부터 1956년까지 물리학자들은 ‘θ-τ수수께끼’로 불리던 문제에 열중해 있었다. 이 문제가 나타난 것은 두 개의 파이온으로 붕괴하는 θ중간자와 세 개의 파이온으로 붕괴하는 τ중간자가 완전히 같은 입자(나중에 K중간자 또는 케이온으로 이름지워졌는데)라는 것이 의심의 여지 없이 증명되었기 때문이었다. 물리학자들을 혼란스럽게 만들었던 것은 입자가 두 가지 방법으로 붕괴한다는 것이 아니라, 이 현상이 패리티 보존법칙을 깨뜨린다는 사실이었다. 왜 그런 것일까? 입자를 기술하는 파동함수를 택할 때에는 어느정도 여유가 있는데, 물리학자들은 양성자를 기술하는 파동함수의 패리티를 +1로 정의했다. (우함수 +1, 기함수 -1) 그 결과 어떤 반응을 해석하면 파이온에는 -1의 패리티 값을 할당해야 한다는 것이 알려졌다. 케이온이 파이온으로 붕괴하는 모양을 주의 깊게 해석하면 두 개의 파이온으로 붕괴할 때는 붕괴 생성물 전체의 패리티가 ‘양’이 되지만, 세 개의 파이온으로 붕괴할 때에는 전체 패리티가 ‘음’이 되어버린다는 것이 보여졌다. 이것은 아주 놀라운 일이었다. 만약, 패리티의 보존법칙이 성립한다면 케이온의 패리티는 붕괴 생성물 전체의 패리티와 같아야 한다. 그러면 도대체 어떻게 해서 양과 음의 패리티를 동시에 가질 수 있는 것일까? 독자들은 파이온의 패리티를 +1로 정의하면 어떨까라고 제안할지도 모르겠다. 하지만 그런 경우에는 케이온이 세 개의 파이온으로 붕괴할 때, (계의 각운동량 때문에) 패리티가 여전히 -1이 되어서 어떤 도움도 주지 못할 것이다.

이 문제에 해한 답은 간단하다는 것이 밝혀졌다. 즉, 패리티는 모든 상호작용에서 보존되지는 않는 것이다. 하지만 이것을 공표하는 데에는 큰 용기를 필요로 했다. 왜냐하면 패리티의 보존법칙은 에너지 보존법칙 만큼이나 부정할 수 없는 것으로 여겨졌었기 때문이었다. 보존법칙과 대칭원리 사이의 관계 때문에, 어떤 상호작용에서 패리티 보존법칙이 존재하지 않는다는 것은 이 상호작용의 거울상이 불가능한 과정이라는 것을 의미하게 된다. 하지만 이것은 터무니 없는 것처럼 보였다. 게다가 거울상에서는 왼쪽과 오른쪽이 바뀌기 때문에 패리티 보존, 즉 어떤 상호작용이 P 변환(parity변환)에 대해 불변이라고 하는 것은 ‘자연계는 왼쪽과 오른쪽을 구별짓지 않는다’라는 것을 의미한다. 이것운 1950년대까지 자명한 진리로 여겨지고 있었다.

실제로, 1950년대에는 물리학자들은 먼 은하계의 거주자들을 향햐서 우리가 어느 쪽을 왼쪽으로 정의하고 어느 쪽을 오른쪽으로 정의하고 있는가를 라디오 통신으로 설명할 수 없다고 확신했었다(또는 어느것이 왼손 회전이고 어느 것이 오른손 회전인가 또는 어느 방향을 ‘시계방향’으로 할 것인가 등. 이 모든 정의들은 서로 연관되어 있고 한쪽을 정의하면 다른쪽이 정의될 수 있다). 그 이유는 왼쪽보다 오른쪽을 선호하는 물리적인 과정이 알려져 있지 않았기 때문이었다. ‘오른쪽’으로 일어나는 알려진 모든 과정들은 그것과 완전히 같은 확률로 ‘왼쪽’으로도 일어나며 모든 물리적인 과정들의 거울 상은 아주 자연스럽게 보인다고 생각했었다.

(중략)

다른 물리적인 과정들을 정밀하게 해석해도 같은 결론이 얻어졌다. 즉, 자연은 오른쪽과 왼쪽을 구별하지 않으며 모든 물리적 과정들의 ‘거울상’은 항상 가능한 것들이다. 단, 이때에는 현상을 바르게 이해하는 방법을 알 필요가 있다. 이런 상황하에서 모든 검사나 해석이 충분히 정밀하지 못하고 여러 가지 과정들 중에서 거울상이 불가능한 것이 존재하며, 그 결과 패리티가 보존되지 않는다는 것을 공언하려면 큰 용기가 필요할 것이다. 그럼에도 불구하고, 리차드 파인만과 마틴 블럭은 1956년 뉴욕학회에서 그 가능성을 제안했다. 그후, 곧바로 중국 태생의 미국 물리학자인 콜롬비아 대학의 29세 와 프린스톤 대학의 33세 은, 알려져 있었던 모든 사실들을 해석한 후에, 약한 상호작용에서는 실제로 패리티가 보존되지 않을 수도 있다고 하는 결론에 도달했다. 그들은 이 ‘이단(異端)’이라고도 할 수 있는 가설을 명확한 논리로 준비를 하여 확신있는 과학논문으로서 발표했으며 게다가 그들의 가설을 검증하기 위한 실험 방법까지도 제안했다. 그리고 수 개월 후에 행해진 극적인 실험으로 인해 그들의 논의는 확고하게 되었던 것이다. 이 두 사람의 과학자들은 1957년 노벨상을 받았다.

이제, 모든 상호작용은 패리티를 보존시키거나 혹은 경영변환에 대해서 불변이라고 했던 말의 믿음에 대한 기초를 조사해 보자. 많은 물리학적 과정들이 충분히 주의 깊게 조사되었고 그 결과 이 ‘거울상’은 자연법칙과 모순되지 않는다는 것이 확실해졌다. (가끔은 나침반 문제에서 했던 논의와 유사한 사고(思考) 실험으로 충분하다). 그러나 이 과정들을 하나씩 조사해 보면 그것들은 모두 강한 힘이나 전자기력의 과정중 하나라는 것을 알게 될 것이다. 일상 생활이나 실험실에서 마주치게 되는 대부분의 물리 현상들은 이 두가지의 힘에 의한 것이기 때문에 우리는 이 세계의 ‘모든’ 거울 상들은 자연적이고 가능하다고 하는 생각에 친숙해져버린 것이다. 하지만 여기에 주의해야할 점이 있다. 약한 상호작용은 주의 깊게 정열적으로 연구되지 않았었다. 리와 양이 말했지만 약한 상호작용에서도 패리티가 보존된다고 하는 증거는 없었다. 그리고 케이온의 붕괴는 약한 상호작용으로 일어나기 때문에 아마도 이것이 θ-τ수수께끼에 대한 대답이 될 지도 모르는 일이었다.

거울이 약한 상호작용을 일그러뜨린다.

리와 양은 그들의 가설을 검증하는 방법도 제안했다. 그들은 방사성 원자에 의한 베타붕괴와 같은 약한 과정의 선택을 제안했다. 이 과정은 복잡한 장치나 비싼 가속기를 필요로 하지 않으며 주의 깊게 과정을 검사하는 것이 가능하다. 그들은 실험 물리학자가 아닌 이론 물리학자들이었기 때문에 실제의 실험을 행하지는 않았다. 이 실험은 콜럼비아 대학과 워싱톤 D.C.에 있는 국립표준국의 물리학자 그룹에 의해 이루어졌다. 이 그룹의 리더는 중국계 미국인 물리학자 여사였다.

이 실험에서는 (베타선을 방출하는) 코발트 60이 절대영도 부근까지 냉각되어서 강한 자기장 속에 놓여졌다. 그 결과, 코발트 원자핵의 대부분은 그것들의 자기모멘트가 자기장의 방향을 향하도록 회전되었다(높은 온도에서의 원자는 열에너지를 가지고 여러 방향으로 진동하고 있기 때문에 설사 자기장이 있었다고 해도 그러한 상황은 불가능한 것이다). 여기서 연구자들은 베타입자(즉 전자)가 방출된 방향을 조사할 수 있었다. 그런데 실로 놀라운 일이 기다리고 있었다. 대부분의 베타입자들은 원자핵의 자기모멘트와 반대방향으로 방출되고 있다는 것이 발견된 것이었다. 이 과정의 거울상은 자연계에서 일어나고 있는 것과 같지가 않다. 왜냐하면 ‘거울’속에서는 대부분의 베타입자들은 원자핵의 자기모멘트의 방향으로 방출되기 때문이다. (그림7.23) 리와 양의 착상이 실험적으로 확인되기 전까지 그들의 생각이 얼마나 회의적으로 받아 들여졌었는지를 보여주는 예를 들어보자. 파울리는 이것을 전혀 믿지 않았기 때문에 실험이 시작되기 전에, 바이스코프에게 이 실험의 실패는 확실하며 리와 양은 틀렸다는 내용의 편지를 썼다. 파울리는 그 편지 속에서 다음과 같이 썼다. “신이 약한 왼손잡이라고는 믿고 싶지 않다. 그 실험은 전자들의 각도 분포가 대칭임을 보여준다는 쪽에 나는 거액을 걸 준비가 되어 있다.” 하지만 실험은 대성공이었고 약한 상호작용은 P에 대하여 불변이 아니라는 것이 증명되었다. 즉, 이 상호작용들에서는 패리티가 보존될 필요는 없는 것이다. 자연은 사실 오른쪽과 왼쪽을 구별하므로 코발트 방출 실험을 씀으로써, 먼 은하계로 오른쪽과 왼쪽의 정의 (또는 어느 쪽이 시계방향인가, 또는 어느 방향이 자석의 N극인가라고 하는 것)를 라디오 통신으로 알릴 수 있을지도 모르겠다.


그림 7.23 : 우 여사의 실험에서, 베타붕괴하는 코발트 60의 원자핵은 자기모멘트를 갖고 있으며, 붕괴에 의해 방출된 전자는 대부분 자기모멘트와 반대 방향으로 (왼손회전방향) 나오고 있다는 것을 알았다. (그림속의 공은 코발트 60의 원자핵이고 자키모멘트는 위쪽방향이다. 공 위의 화살표는 자기모멘트를 생성하고 있다고 생각되는 전류의 방향을 나타낸다. 다른 화살표는 방출된 전자의 방향을 나타내고 있다). 한편, 거울상에서는 대부분의 전자가 자기모멘트의 방향으로 방출되고 있는데 이번에는 아래쪽을 향하고 있다.

오래전에 구 블로그에 쓴 글을 재업로드 함.

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