바리오제네시스(Baryogenesis, BG)는 물리우주론에서 물질과 반물질 사이의 비대칭성으로부터 바리온(baryon)이 형성되는 우주 초기의 가설적 메커니즘을 가리키는 용어이다. 한국어로는 "바리온 생성" 또는 "중입자 생성"이라고도 번역된다.
배경
빅뱅 핵합성(Big Bang Nucleosynthesis, BBN)과 우주배경복사(Cosmic Microwave Background, CMB)의 관측 결과에 따르면, 우주에는 바리온과 반바리온 사이에 비대칭성이 존재한다. 관측된 바리온 비대칭성은 다음과 같은 무차원 변수로 표현된다.
η_B = (n_B − n_B̄) / n_γ ≈ 10⁻¹⁰
여기서 n_B는 바리온의 개수 밀도, n_B̄는 반바리온의 개수 밀도, n_γ는 광자의 개수 밀도이다. 광자 밀도로 나누는 이유는 우주 팽창에 의한 비대칭성 감소를 보정하기 위해 공변(co-moving) 밀도로 정의하기 위함이다. 관측 결과 이 값은 약 10⁻¹⁰ 정도로, 우주에 물질이 반물질보다 극소량 더 많다는 것을 의미한다.
사하로프 조건
바리온 비대칭성을 생성하기 위해서는 다음의 세 가지 사하로프(Sakharov) 조건을 만족해야 한다.
- 바리온 수의 깨짐(B violation)
- C 및 CP 대칭의 깨짐(C and CP violations)
- 열적 비평형(Thermal non-equilibrium)
표준 모형은 이 세 조건을 모두 만족시킬 수 있으나, 그 세기가 작아 관측된 바리온-반바리온 비대칭성을 충분히 설명하지 못한다. 이에 따라 새로운 메커니즘인 바리오제네시스가 도입되었다.
주요 모형
바리오제네시스를 설명하기 위한 대표적인 이론적 모형은 다음과 같다.
-
전약 바리오제네시스(Electroweak Baryogenesis, EWBG): 전약 상전이를 활용한 모형이다. 표준 모형의 전자기약력은 SU(2)_L 게이지 군에 대해 변칙(anomaly)을 가져 인스탄톤(instanton)과 스팔레론(sphaleron)이라는 비섭동적 과정을 통해 바리온 수와 렙톤 수가 깨질 수 있다. 전약 바리오제네시스가 성립하기 위해서는 1차 상전이(First-order phase transition)가 요구되며, 이를 위해 두 개의 힉스 이중항 모형(Two-Higgs doublet model)이 흔히 상정된다.
-
대통일 이론 바리오제네시스(GUT Baryogenesis, GUTBG): 대통일 이론(Grand Unified Theory, GUT)에 등장하는 무거운 입자(예: SU(5) 게이지 군의 X, Y 보손)의 붕괴를 통해 바리온 비대칭성을 설명하는 모형이다.
-
애플렉-다인 바리오제네시스(Affleck-Dine Baryogenesis, ADBG): 이안 애플렉(Ian Affleck)과 마이클 다인(Michael Dine)이 제안한 모형으로, 초대칭 이론을 활용한다. 최소 초대칭적 표준 모형의 스칼라장이 바리온 수 깨짐을 가지며, 큰 진공 기댓값에서 시작해 진동·회전하면서 바리온 비대칭성을 생성한다.
-
렙토제네시스(Leptogenesis, LG): 후쿠지타 마사타카와 야나기다 쓰토무가 제안한 모형으로, 먼저 렙톤의 비대칭성을 생성한 후 스팔레론 과정을 통해 바리온 비대칭성으로 전환하는 방식이다. 시소 메커니즘(seesaw mechanism)을 기반으로 무거운 비활성 중성미자의 붕괴를 통해 렙톤 비대칭성이 생성된다.
의의
바리오제네시스는 현대 물리학의 가장 큰 난제 중 하나인 "왜 우주에 물질이 반물질보다 더 많은가"라는 질문에 대한 이론적 설명을 제공한다. 현재까지 제안된 여러 모형들은 각각의 장단점을 지니며, 입자 가속기 실험과 우주 관측을 통해 검증이 시도되고 있다.
