2-2. 물질-반물질 비대칭 — 왜 반물질은 사라졌는가

지금까지의 이야기: 앞 절에서 우리는 우주의 95%가 정체불명이라는 충격적 사실을 마주했다. 암흑 물질은 은하를 붙잡아두는 보이지 않는 접착제이고, 암흑 에너지는 우주의 팽창을 가속시키는 수수께끼의 힘이었다. 이제 시선을 "보이는 5%"로 돌려보자. 보통 물질 — 별, 행성, 당신과 나를 이루는 원자 — 자체에도 거대한 수수께끼가 숨어 있다.

당신이 존재한다는 것 자체가 수수께끼다

이번 절의 이야기는 다소 철학적으로 들리는 질문에서 시작한다.

왜 "무(無)" 대신 "유(有)"가 있는가?

물론 이것은 철학 교재가 아니라 물리학 교재다. 그러니 질문을 더 구체적으로 바꿔보자.

빅뱅 이론에 따르면, 우주 초기의 극도로 뜨거운 에너지에서 입자들이 만들어졌다. 여기서 결정적인 사실이 있다. 우리가 알고 있는 물리 법칙에 따르면, 에너지에서 물질이 만들어질 때 물질과 반물질은 항상 정확히 같은 양만큼 쌍으로 만들어진다. 전자가 하나 만들어지면 반드시 양전자(전자의 반물질)도 하나 만들어지고, 쿼크가 하나 만들어지면 반드시 반쿼크도 하나 만들어진다.

그리고 물질과 반물질이 만나면? 완전히 소멸하여 순수한 에너지(빛)로 변한다.

자, 여기서 문제가 보이는가?

빅뱅에서 물질과 반물질이 정확히 같은 양 만들어졌다면, 이 둘은 서로 만나 모조리 소멸했어야 한다. 우주에는 물질도, 반물질도 남지 않고, 오직 빛만 가득한 텅 빈 우주가 되었어야 한다.

그런데 우리가 여기 있다.

당신의 몸을 이루는 원자, 발밑의 지구, 밤하늘의 별 — 이 모든 것이 물질이다. 반물질은 거의 없다. 물질이 압도적으로 승리했다. 어떻게?

핵심 질문: 물질과 반물질은 완벽히 대칭적으로 만들어졌어야 하는데, 왜 현재 우주에는 물질만 남아 있는가? 물질은 어떻게 소멸의 대학살에서 살아남았는가?