양성자 붕괴양성자도 죽을까?

양성자는 붕괴할까요? 슈퍼가미오칸데는 양성자 붕괴를 단 한 번도 관측하지 못했고, 그래서 양성자 수명은 10³⁴년보다 길다고 봅니다. 양성자가 붕괴하느냐 마느냐는 아직 확인되지 않은 대통일 이론에 달려 있습니다. 게임 엔딩 「양성자 붕괴」는 우주의 끝에 남아 마지막 양성자가 붕괴하는 모습을 지켜보는 엔딩입니다. 진짜로 기다려야 하는 엔딩이라, 해금 조건에 "현실에서 24시간 기다리기"가 들어 있습니다.

이 글은 먼저 해금 방법을 설명하고, 양성자 붕괴의 실제 현황을 짚은 다음, 관련 입자물리학 연구(쿼크, 반물질, 물질이 반물질보다 많은 이유, 중성미자)를 다룹니다.

해금 방법

• 힌트: 어떤 엔딩은 정말로 기다려야만 볼 수 있습니다.
• 조건: 「마지막 양성자」를 해금하고 우주의 끝을 목격한 뒤, 현실에서 24시간을 기다립니다.
• 보상: 에너지 별자리의 운명 노드 「우주 공장」을 해금합니다.

이 엔딩은 물리 분류에 속합니다. 「마지막 양성자」 노드의 설명은 우주의 끝에 남아 마지막 양성자가 붕괴하는 모습을 지켜보는 것입니다. 이 엔딩은 현실에서 24시간을 기다려야 하는데, 그 대기 시간은 게임의 설계일 뿐 어떤 물리 실험의 요구 조건도 아닙니다.

실제 상황

• 관측된 적 없음: 슈퍼가미오칸데는 양성자 붕괴를 본 적이 없습니다.
• 수명 하한: 양성자 수명은 10³⁴년보다 깁니다.
• 무엇에 달렸나: 양성자가 붕괴하는지는 아직 확인되지 않은 대통일 이론에 달려 있습니다.

먼 미래의 우주를 그리는 그림에서 양성자 붕괴는 "어쩌면"에 해당합니다. 한 연구는 수조 년 뒤와 그 너머의 우주의 운명을 계산했습니다. 별은 다 타서 꺼지고, 양성자는 붕괴할 수도 있으며, 블랙홀은 결국 증발합니다(Adams and Laughlin, Reviews of Modern Physics, 1997). 블랙홀의 증발은 또 다른 발견에서 나왔습니다. 양자 효과 때문에 블랙홀이 에너지를 천천히 방출하므로 블랙홀은 영원하지 않다는 것입니다(Hawking, Nature, 1974).

양성자 안에는 무엇이 있을까

• 쿼크 모형: 머리 겔만은 양성자와 중성자가 더 작은 "쿼크"로 이루어졌다고 제안해, 어지럽던 입자 동물원에 질서를 세웠습니다(Gell-Mann, Physics Letters, 1964).
• 점근적 자유: 쿼크는 가까워질수록 상호작용이 약해지고, 멀어질수록 더 세게 끌어당깁니다. 쿼크가 늘 갇혀 있는 이유가 이것입니다(Gross and Wilczek, Physical Review Letters, 1973).
• 완벽한 액체: 중이온 충돌 실험으로 우주 탄생 후 처음 몇 마이크로초의 쿼크-글루온 플라스마를 재현했는데, 점성이 거의 없는 액체처럼 움직였습니다(STAR Collaboration, Nuclear Physics A, 2005).

물질이 반물질보다 많은 이유

• 사하로프 조건: 안드레이 사하로프는 우주에서 물질이 반물질보다 많아지는 데 필요한 세 가지 조건을 정리했고, 이는 지금도 연구의 출발점입니다(Sakharov, JETP Letters, 1967).
• CP 대칭 깨짐: K 중간자(케이온)의 붕괴는 물질과 반물질에 대한 물리 법칙이 완전히 대칭이 아님을 보여 주었습니다(Christenson, Cronin, Fitch and Turlay, Physical Review Letters, 1964).
• 디랙 방정식: 폴 디랙은 양자역학과 상대성이론을 합쳐 전자를 기술했는데, 방정식의 해가 뜻밖에도 반물질의 존재를 예측했습니다(Dirac, Proceedings of the Royal Society A, 1928).
• 양전자: 칼 앤더슨은 우주선에서 양전하를 띤 전자를 사진으로 찍었고, 인류가 반물질을 처음 본 순간이 되었습니다(Anderson, Physical Review, 1933).

중성미자

연구자들은 원자로 옆에서 몇 년을 기다린 끝에, 다른 물질과 거의 상호작용하지 않는 이 "유령 입자"를 마침내 포착했습니다(Cowan, Reines et al., Science, 1956). 이후 슈퍼가미오칸데 검출기는 중성미자가 세 종류 사이를 오가며 바뀐다는 것을 발견했고, 이는 중성미자에 질량이 있다는 뜻입니다(Fukuda et al., Physical Review Letters, 1998). 슈퍼가미오칸데는 "양성자 붕괴를 한 번도 보지 못한" 바로 그 검출기이기도 합니다.

위 내용은 모두 관련된 실제 연구입니다. 입자물리학의 배경 지식일 뿐, 양성자 붕괴를 증명하지도 부정하지도 못합니다.

게임 설정이며 실제가 아님

양성자 붕괴가 남기는 말은 허구입니다.

원문이 궁금하다면? 아래 제목으로 검색하세요

• Gell-Mann (1964): "A schematic model of baryons and mesons"
• Gross and Wilczek (1973): "Ultraviolet behavior of non-abelian gauge theories"
• Sakharov (1967): "Violation of CP invariance, C asymmetry, and baryon asymmetry of the universe"
• Christenson et al. (1964): "Evidence for the 2π decay of the K2 0 meson"
• Dirac (1928): "The quantum theory of the electron"
• Anderson (1933): "The positive electron"
• Cowan, Reines et al. (1956): "Detection of the free neutrino: a confirmation"
• Fukuda et al. (1998): "Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos"
• STAR Collaboration (2005): "Experimental and theoretical challenges in the search for the quark–gluon plasma"
• Hawking (1974): "Black hole explosions?"
• Adams and Laughlin (1997): "A dying universe: the long-term fate and evolution of astrophysical objects"