1. 급팽창(Inflation)의 발생 원인
(1) 급팽창의 필요성
급팽창 이론은 표준 빅뱅 이론이 설명하지 못하는 몇 가지 문제를 해결하기 위해 제안되었습니다.
- 평탄성 문제 (Flatness Problem): 왜 우주의 곡률이 0에 가까운지 설명이 필요합니다.
- 지평선 문제 (Horizon Problem): 멀리 떨어진 두 지역이 동일한 온도를 가지는 이유를 설명해야 합니다.
- 자기 홀극 문제 (Magnetic Monopole Problem): 이론적으로 존재해야 할 자기 홀극이 왜 관측되지 않는지 설명해야 합니다.
(2) 급팽창 발생 원인
인플라톤(Inflaton) 장이 높은 에너지를 가진 상태에 존재하며, 가짜 진공(False Vacuum) 상태에서 머뭅니다.
이 가짜 진공이 붕괴하면서 급격한 팽창을 유도하여 우주의 크기가 기하급수적으로 증가합니다.
급팽창이 종료되면서 인플라톤 장이 붕괴하여 복사와 물질을 생성하고, 이후 표준 빅뱅 과정이 진행됩니다.
2. 중입자 생성(Baryogenesis)의 발생 원인
(1) 중입자 생성의 필요성
우주는 대부분 물질(중입자)로 구성되어 있지만, 표준 모형에 따르면 초기 우주에서는 물질과 반물질이 같은 비율로 생성되었어야 합니다. 그러나 현재 반물질이 거의 사라지고 물질이 남아 있는 이유를 설명해야 합니다.
(2) 사하로프 조건 (Sakharov Conditions)
안드레이 사하로프(Andrei Sakharov)는 중입자 비대칭이 발생하기 위한 세 가지 조건을 제시했습니다.
바리온 수(Baryon Number) 불변성 깨짐: 바리온과 반바리온이 같은 비율로 생성되지 않아야 합니다.
CP 위반(CP Violation): 물질과 반물질이 동일한 확률로 붕괴하지 않아야 합니다.
열적 비평형(Thermal Nonequilibrium): 입자들이 열적 평형 상태에 있으면 대칭성이 유지되므로, 비평형 환경이 필요합니다.
(3) 중입자 생성 발생 과정
급팽창 이후 재가열(Reheating) 과정에서 강입자(쿼크, 글루온)와 반입자가 생성됩니다.
사하로프 조건을 만족하는 과정에서 반물질보다 물질이 조금 더 많이 남게 됩니다.
남은 물질이 현재 우리가 보는 우주를 구성하게 됩니다.
결론
급팽창과 중입자 생성은 현재 우주의 구조와 성질을 결정하는 중요한 과정입니다. 급팽창은 우주의 균일성과 구조 형성을 설명하며, 중입자 생성은 왜 물질이 반물질보다 많이 남았는지 설명하는 필수적인 개념입니다.