양성자 붕괴와 원소의 궁극적 한계

인류는 오랜 세월 동안 물질의 궁극적 본질에 대해 질문해왔다. 고대 철학자들은 ‘모든 것은 끊임없이 나뉠 수 있는가, 아니면 더 이상 나눌 수 없는 최소 단위가 존재하는가?’라는 문제를 두고 논쟁을 벌였다. 데모크리토스는 ‘원자’라는 개념을 제시했고, 이는 수천 년이 지나 현대 물리학에서 실제 원자 이론으로 이어졌다. 그러나 원자가 더 이상 쪼갤 수 없는 입자라는 생각은 오래 가지 못했다. 전자, 양성자, 중성자의 발견은 원자도 내부 구조를 가진 복합체임을 보여주었고, 양성자와 중성자조차 쿼크라는 더 작은 단위로 구성된 사실이 드러났다.

이처럼 ‘근본 입자’라 여겨졌던 것들이 반복적으로 무너져온 역사를 고려할 때, 현재 우리가 안정적이라고 믿는 양성자도 영원하지 않을 수 있다. 만약 양성자가 궁극적으로 붕괴한다면, 주기율표의 끝은 단순히 기술적 한계나 실험 장비의 제약이 아니라, 우주의 물리 법칙에 의해 엄격히 정의될 것이다. 이번 글에서는 양성자의 안정성에 관한 표준 모형의 관점, 통일장이론의 예측, 초대형 실험들의 탐색, 그리고 원소 존재 가능성과 철학적 의미까지 종합적으로 탐구한다.

양성자 붕괴와 원소의 궁극적 한계

양성자의 안정성: 표준 모형의 시각

표준 모형은 현대 입자물리학의 기둥으로, 전자기력, 약력, 강력을 설명한다. 이 틀에서 양성자는 두 개의 업 쿼크와 하나의 다운 쿼크가 강한 상호작용(글루온의 교환)에 의해 결합된 상태이다. 이 조합은 안정적이며, 표준 모형의 규칙 안에서는 양성자가 붕괴할 수 있는 경로가 존재하지 않는다. 따라서 양성자는 사실상 ‘영원히 안정적인 입자’로 간주된다.

하지만 자연에서의 관찰만으로는 ‘절대 안정’을 보장할 수 없다. 중성자 역시 원자핵 내부에서는 안정하지만, 자유로운 상태에서는 약 15분 만에 붕괴한다. 마찬가지로 양성자도 지금까지 우리가 이해한 범위에서는 안정해 보일 뿐, 더 높은 차원의 물리 법칙 속에서는 붕괴할 수 있다.

이런 의문은 단순한 호기심에서 비롯되지 않았다. 전자기력, 약력, 강력을 하나의 힘으로 통합하려는 대통일장이론(GUT)은 양성자의 붕괴 가능성을 필연적으로 예측한다. 즉, 표준 모형의 안정성은 잠정적 결론일 뿐이며, 더 근본적인 법칙이 존재한다면 상황은 달라질 수 있다.

대통일장이론과 양성자 붕괴의 예측

1970년대 이후 물리학자들은 전자기력, 약력, 강력을 하나의 수학적 대칭 구조 안에서 통합하려는 시도를 이어왔다. 대표적인 이론 중 하나가 SU(5) 대통일 이론이다. 이 이론은 세 가지 힘이 아주 높은 에너지 영역에서 하나의 상호작용으로 합쳐진다고 설명하며, 그 부산물로서 양성자 붕괴가 가능해진다고 말한다.

SU(5) 모델에 따르면, 양성자는 약 1031∼103610^{31} \sim 10^{36}1031∼1036년의 수명을 갖는다. 이는 상상을 초월하는 수치로, 우주의 나이(138억 년)에 비하면 거의 무한에 가깝다. 그러나 무한은 아니다. 결국 충분히 긴 시간이 흐르면 양성자도 붕괴할 수 있다는 것이다.

이론적으로 제안된 붕괴 경로는 다양하다. 가장 대표적인 예는:

• p→e++π0p \rightarrow e^+ + \pi^0p→e++π0
• p→K++ν‾p \rightarrow K^+ + \overline{\nu}p→K++ν

즉, 양성자가 양전자와 중성미자, 혹은 케이온 등으로 변환되면서 더 이상 원자핵을 유지할 수 없게 된다. 만약 이 현상이 실제로 일어난다면, 물질 세계의 모든 구조가 결국 해체될 운명을 갖게 된다.

실험적 탐색: 양성자 붕괴를 찾는 인류의 도전

양성자 붕괴는 그 수명이 극도로 길 것으로 예상되기 때문에, 이를 관찰하려면 엄청난 규모의 실험 장비가 필요하다. 일본의 슈퍼-가미오칸데(Super-Kamiokande) 는 그 대표적인 예이다. 5만 톤에 달하는 초순수 물을 거대한 탱크에 저장하고, 수천 개의 광센서로 양성자 붕괴 시 발생할 수 있는 빛의 흔적을 탐지한다.

수십 년간의 관측에도 불구하고, 양성자 붕괴는 단 한 번도 관측되지 않았다. 하지만 이것은 실패라기보다는 하한선을 확장한 성과다. 현재까지의 결과는 양성자의 수명이 최소 103410^{34}1034년 이상임을 의미한다. 이 값은 여러 대통일장이론을 배제시켰으며, 보다 정교한 이론들만이 가능성을 유지하게 되었다.

앞으로 건설될 일본의 Hyper-Kamiokande 와 미국의 DUNE(Deep Underground Neutrino Experiment) 은 이전보다 수십 배 더 민감한 탐지 능력을 갖출 예정이다. 이들은 양성자 붕괴를 직접 찾는 것을 목표로 하고 있으며, 성공할 경우 물리학의 지형도를 완전히 바꾸어 놓을 것이다.

원소 존재 가능성과 양성자 붕괴

양성자가 붕괴한다면, 원소 존재 가능성에도 절대적 한계가 생긴다. 원소는 양성자 수(원자번호)로 정의된다. 즉, 양성자가 붕괴하면 원자번호 자체가 유지될 수 없으며, 원소의 정체성이 붕괴한다.

초중원소 연구에서 우리는 이미 짧은 반감기라는 벽에 부딪히고 있다. 예를 들어, 오가네손(118번 원소)은 1밀리초 남짓한 반감기를 가질 뿐이다. 그러나 이 문제는 핵력의 불안정성 때문이다. 반면, 양성자 붕괴는 훨씬 더 근본적이다. 이는 특정 원소가 아니라, 모든 원소가 결국 사라질 수 있음을 시사한다.

즉, 주기율표는 무한히 확장될 수 없으며, 언젠가는 우주론적 차원에서 완전히 무너질 수 있다. 인간이 새로운 원소를 합성하는 한계는 실험 장비와 기술에서 비롯되지만, 우주가 부과하는 절대적 한계는 바로 양성자 붕괴라는 사실이다.

양성자 붕괴의 역사적·철학적 맥락과 윤리적 논의

양성자 붕괴의 가능성은 단순한 물리학적 가설이 아니다. 철학적으로 이는 물질의 영원성에 대한 오랜 믿음을 근본적으로 흔든다. 고대 원자론자들은 원자를 ‘불생불멸한 최소 단위’로 보았지만, 현대 과학은 원자도, 양성자도, 심지어 쿼크조차 영원하지 않을 수 있다고 말한다.

이 논의는 인류 문명의 자기 이해에도 깊은 영향을 미친다. 물질이 결국 붕괴한다면, 인간이 쌓아 올린 건축물, 기술, 문명, 심지어 행성과 별도 무한히 지속될 수 없다. 이는 과학이 철학적·존재론적 질문에 도달하는 한 예라 할 수 있다.

윤리적 측면에서도 이 연구는 논쟁적이다. 양성자 붕괴를 탐색하기 위한 초대형 검출기와 입자가속기는 수십억 달러 이상의 비용이 든다. 이런 투자가 과연 인류 전체의 이익에 부합하는지, 아니면 일부 과학적 호기심을 위한 과도한 지출인지에 대한 논의가 있다. 그러나 많은 과학자들은 이 탐구가 단순한 호기심을 넘어, 우주의 근본 법칙을 이해하는 데 있어 인류에게 필수적이라고 본다.

결론

양성자 붕괴는 아직 발견되지 않았지만, 물질의 본질에 대한 궁극적 질문을 던진다. 만약 붕괴가 확인된다면, 원소의 무한한 확장은 불가능하며, 모든 물질은 결국 사라질 수밖에 없다. 이는 주기율표의 완성과 같은 단기적 과학 목표를 넘어, 우주와 존재의 근본적 성격을 정의하는 문제다.

비록 양성자의 수명이 103410^{34}1034년 이상이라는 것은 인간의 관점에서 사실상 무한과 같지만, 과학은 바로 그 ‘거의 불가능한 관측’을 추구해왔다. 양성자 붕괴 연구는 단지 입자물리학적 사실을 밝히는 것을 넘어, 우주의 운명, 물질의 본질, 그리고 인류가 자신의 위치를 어떻게 이해할 것인가에 대한 철학적 대화로 이어진다.

주기율표가 기술적 한계에 부딪히든, 양성자 붕괴라는 우주적 법칙에 막히든, 그 과정에서 우리는 더 깊은 질문을 던지고 새로운 답을 찾아낸다. 그 자체가 과학의 의미이자, 인류 지성의 가장 빛나는 여정이다. 결국 양성자 붕괴가 실재하든 아니든, 그것을 이해하려는 우리의 시도는 우주와 물질에 대한 궁극적 진실에 다가가는 과정이 될 것이다.