힉스입자 존재 입증, 신은 종말을 고하고 있을까?

자연계에 존재하는 16개의 입자에 질량을 부여해 물질을 만들어내는 출발점 역할을 하는 힉스입자의 존재가 확정됐다(고 한다). 이른바 ‘신의 입자’라 불리는 힉스입자의 존재가 확정됐기 때문에 위대한 물리학자 파인만의 표준모형이 비로소 완벽해졌고, 덕분에 힉스입자를 처음 개념화한 힉스 교수는 노벨상(죽은 사람에게는 주어지지 않는다)을 거의 탄 것에 진배없게 됐다.

 

 

힉스입자에 대한 글은 이미 블로그에 올렸기 때문에 오늘은 파인만의 표준모형에 나오는 힘을 매개하는 입자들을 통해 힉스입자 존재의 확정이 가지는 가치에 대해 다루어보고자 한다. 양자역학에 대한 기본적인 지식이 없는 분들을 위해 최대한 쉽게 풀어내고자 노력하겠지만, 곳곳에 미흡한 점이 있다면 힉스입자를 설명하는데 턱없이 부족한 필자의 지적 한계 때문이다. 이에 대해 여러분의 이해를 먼저 구한다.

 

 

우리는 물리학하면 제일 먼저 떠오르는 것이 뉴턴의 만류인력과 아인슈타인의 상대성이론이다. 이중에서 만유인력은 어느 정도 이해할 수 있지만, 특수상대성이론과 일반상대성이론은 이해하는데 상당한 어려움을 겪는다. 이는 불확정성의 원리와 배타 원리 등을 핵심으로 하는 양자역학에 대한 이해가 없기 때문이며, 이는 입자에 대한 이해이기도 하지만 에너지, 즉 힘을 매개하는 입자에 대한 이해이기도 하다.

 

 

 

만류인력이란 단어에서 알 수 있듯 뉴턴의 발견은 중력이라는 힘에 대한 발견이라는 점에서 고전물리학에 획기적인 전환점을 제공했다. 고대 그리스(주로 이오니아의 자연철학)의 자연철학에서는 원자가 최소단위이나 고전물리학에 와서는 원자가 최소단위가 아니라 그보다 작은 입자들이 있다는 것이 밝혀졌다. 이때부터 자연철학은 과학의 영역에서 거의 다 생명력을 잃었고 원자에 대한 이해를 바탕으로 하는 고전물리학이 등장했다. 

 

 

아무튼 물질을 이루는 최소 단위인 원자에서 상대성이론으로 완성된 중력으론 설명할 수 없는 것이 속출했다. 만유인력은 셀 수도 없는 수의 원자들로 이루어진 행성 간에는 거의 완벽하게 적용되지만, 단 한 하나의 원자로 이루어진 극미한 공간에선 적용되지 않기 때문이다. 사과가 땅으로 떨어지는 것이나 힘껏 던진 돌이 포물선을 그리며 떨어지는 것을 설명하려면 그것들을 던진 힘에 대항해서 작용하는 끌어당기는 힘이 있어야 하고(만유인력의 핵심), 그것으로 행성의 운동을 설명하려면 어디서나 동일하게 적용되는 확장된 중력이론이 있어야 하는데 이것을 풀어낸 상대성이론으로 완벽해졌다. 이로써 거대한 우주공간 어디서나 적용할 수 있는 물리학이 모습을 드러냈다.   

 

 

뉴턴이 발견했고 아인슈타인이 완성시킨 힘이 중력이고, 중력이 작동하도록 매개하는 입자를 중력자라 했다. 이로써 입자물리학의 원조인 그리스의 자연철학에 사물 간에 작용하는 척력과 인력이라는 힘의 작동이 행성 간에도 성립할 수 있는 이론으로 정립됐고, 우주는 질서정연한 힘인 중력에 의해 돌아가는 것으로 이해될 수 있었다. 진공상태인 우주에서 중력자라는 힘을 매개하는 입자가 있어 행성들은 언제나 일정한 궤도를 돌며 충돌하지 않는다는 사실을 알게 됐다(그럼에도 우주의 90% 이상을 차지하는 암흑물질의 작용에 대해서는 아무런 설명도 할 수 없다).

 

 

이것이 우주에 존재하는 첫 번째 힘이자 가장 약한 힘이다. 우주에서 적용되는 힘은 저항이 없기 때문에 적용되는 거리가 멀수록 약하다. 만일 운동을 매개하는 힘을 전달하는 입자가 고에너지를 띠고 있다면 우주의 공간은 팽창을 하는 것이 아니라 점점 축소돼 다시 특이점(빅뱅 이전의 다차원적 압축점)으로 돌아가게 될 것이다. 중력이 우주의 힘 중에서 가장 약한 힘이기에 인간이 지구에서 작은 에너지를 사용하고도 행동할 수 있는 것이며, 행성들은 느린 속도로 움직일 수 있다.

 

 

헌데 허블 망원경이 만들어지면서 만유인력이 작용하지 않는 은하가 발견됐고, 원자에 대한 이해가 늘어남에 따라 중력으로는 설명될 수 없는 원자의 구성요소들에 대한 이해가 늘어났다. 이런 발견들로 인해 중력(스핀2의 입자가 전달)과 맥스웰이 정립한 전자기력에 대한 정확한 설명도 가능해졌고, 이런 발견들을 종합해 아인슈타인은 (양자역학의 서문을 연, 그러나 아인슈타인은 인정하지 않았던) 광양자론을 발표했다. 광자는 빛(정확히는 전자)이 움직일 때 배출하는 에너지 덩어리를 말하며 양자는 빛의 광자 덩어리를 말한다(스핀에 대한 설명은 너무 전문적이라 생략한다). 

 

 

아인슈타인은 후에 하이젠베르크에 의해 정립된 불확정성의 원리의 원조격인 광양자론을 통해 순수한 파장(에너지)으로 여겼던 빛이 입자의 운동이기도 하다는 사실을 처음으로 밝혀냈다(빛은 입자인 동시에 파장이다). 그래서 그는 입자의 성질도 갖고 있는 빛이 태양에 가장 근접했을 때 태양의 인력에 의해 휘어질 것이라고 예언할 수 있었다. 빛이 순수한 에너지면 인력의 영향을 받지 않아 휘지 않지만, 상황에 따라 입자로도 변화하기 때문에 인력에 끌려 휘게 된다는 것이었다.  

 

 

아인슈타인의 예언은 후에 실제 현상으로 측정됐다. 빛이 태양에 가장 근접했을 때 휘어지는 것을 별의 위치가 다르게 측정되는 것으로 증명했다(드라마로 반영된 적이 있다). 만약 막강한 인력을 가진 블랙홀에 의해 시공간이 극도로 휘어져 U자 처럼 좁혀지면 서로 다른 시공간(과거와 현재)이 매우 가까워져 아주 짧은 순간이지만 시간여행도 가능해진다(아인슈타인은 과거에 개입할 수 없다고 했지만 최근의 양자역학에선 개입도 가능하다고 한다. 영화 <인터스텔라>가 이것을 바탕으로 제작됐다).

이로써 물질을 이루는 기본입자와 이 물질들을 묶어두거나 움직이게 하는 힘을 전달하는 매개입자들인 소립자에 대한 이론이 출현했다. 양자역학으로 들어가는 마지막 단계까지 이른 것이다. 이론물리학에 따라 표준모형이 먼저 만들어졌고, 실험과 관찰로 이를 증명해나갔다. 리처드 파인만은 도형의 형태를 상상하는데 특출한 재능이 있었고, 그 덕분에 표준모형을 만들 수 있었다. 

                                          리처드 파인만의 표준모형

물질을 이루는 최소 단위로 알려진 원자라는 공간에서 작동하는 양자역학을 설명하려면 만유인력과 전자기력, 상대성이론 외에도 또 다른 힘(강한 핵력과 약한 핵력)이 필요했다. 중력보다 강한 전자기력은 전자가 원자핵 주위를 돌게 하는 힘이자, 스핀1의 입자가 전달하는 힘으로, 전자나 각각 3개의 쿼크로 이루어지는 양자성자와 중성자처럼 전하를 띤 기본입자들과는 상호작용을 하지만 중력자처럼 전하를 띠지 않은 기본입자들과는 상호작용을 하지 않는 전자기력이 정립됐다. 이는 우주에 존재하는 힘 중에 두 번째로 약한 힘이지만 중력보다는 강해 거대한 자석으로 무거운 물체도 들어올릴 수 있다. 전자기력이 중력보다 약해지면 중력에 이끌려 무거운 물체는 땅으로 떨어진다.  

 

 

이런 전자기력에 대한 이해는 원자핵을 이루는 입자들인 양성자와 중성자라는 기본입자에 대한 보다 정교한 이해로 이어졌다. 필요한 것은 전자처럼 질량이 없는(실제로는 극미한 질량을 가지고 있지만 현실세계에서는 의미가 없어 무시된다) 중성자가 질량을 지닌 양성자와 묶어주는 힘에 대한 설명이 필요했다. 극도로 짧은 거리를 움직이는 전자의 속도가 곧 빛의 속도이기 때문에 중성자와 양성자도 어마어마한 속도를 낼 터 이들의 속도를 원자핵이라는 작은 공간에 묶어둘 힘(본드의 힘을 상징하는 것과 비슷한 일종의 점력이라고 할 수도 있다)에 대한 이해가 필요했다.

 

 

전자가 먼 거리를 가게 하려면 전자에 계속해서 에너지를 가해야 하는데 이것이 입자가속기를 만든 이유로 작용했다. 명심해야 할 것은 양자역학 세계의 힘은 원자라는 극도로 작은 공간 내에서 작용하는 힘이라는 사실이다. 그래서 상상하는 것보다 입증하는 것이 더 어려울 때가 많다. 현대물리학이 이론물리학과 실험물리학으로 나뉘는 이유가 여기에 있다.   

 

 

이래서 나온 것이 양성자와 중성자를 이루는 소립자의 세계를 지배하는 힘인 핵력(원자탄의 원리가 여기서 나왔다)이다. 원자핵에 적용되는 핵력은 약한 핵력과 강한 핵력으로 나뉜다. 먼저 약한 핵력은 자연발생적 대칭성 붕괴로 발생하는 방사능(이는 스스로 붕괴해 발생하는 자연방사능으로 우리의 주위에 존재하며 지구의 생성 때는 엄청나게 강했지만 수십억 년에 걸친 진화과정에서 인체에 해롭지 않을 만큼 약해졌다)이 되는 것으로, 스핀 1/2인 모든 물질입자에 작용하지만, 광자나 중력자와 같은 스핀 0, 1, 2의 질량 없는 입자(총칭해서 벡터 보손이라 하며 표준모형 상에 나온다)에는 영향을 주지 않는 힘이다. 

 

 

질량을 지닌 소립자에 작용하는 ‘약한 핵력은 W보손과 Z보손이란 힘을 매개하는 입자에 의해 전달되며, 약 100기가전자볼트(10억 전자볼트)의 질량을 지닌다.’ 전자기력이 중력의 10의 42승배인데, 그것의 10억 배에 이르는 힘이 약한 핵력으로, 얼마나 강력한 힘인지 알 수 있다. 너무나 작은 공간에서 소립자에 작용하는 약한 핵력은 우주에 존재하는 힘 중 2번째로 강한 힘으로 고에너지를 갖는다. 만일 이 힘이 원자라는 극도로 좁은 공간에서 지극히 짧은 거리에서만 작용하지 않는다면 모든 원자가 붕괴해 주변의 모든 생명체는 사라질 것이다.  

 

 

전자와 비슷한 중성자가 양성자와 함께 원자핵을 이루게 하는 힘이 강한 핵력으로, ‘양성자와 중성자를 이루는 각각 3개의 쿼크들을 하나로 묶어주고, 양성자와 중성자를 원자핵 속에' 묶어둔다.’ 이 힘은 글루온이라는 또 다른 스핀 1의 압자에 의해 전달되는 힘으로 양성자와 중성자를 묶어 원자핵을 단단하게 이룬다. 양성자와 중성자를 묶어주는 힘인 강한 핵력은 우주에서 가장 강한 힘으로 초고준위 에너지(이를 테면 빛의 속도를 내는 운동)를 제어할 수 있는 힘이다.  

 

 

한데 양성자와 중성자를 이루는 6개의 쿼크는 가상입자여서 ‘쿼크와 글루온 자체와만 상호작용’을 하는 글루온을 파괴시키면 소립자인 쿼크와 함께 힉스입자의 발견할 수 있을 것이라고 힉스 교수가 이론적으로 존재가능성을 정립했다. 이를 포착하려면 입자가속기에서 고에너지의 양성자와 반양성자를 충돌시켜야 한다. 그래야만 핵력이 깨져 양성자와 반양성자를 구성하는 기본입자들이 나타난다. 서로 반대방향으로 회전시킨 전자를 빛의 속도에 가장 근접했을 때까지 돌린 다음 충돌시켜도 비슷한 결과인 중성미자 등이 나온다.

 

 

인간이 만든 가장 강력한 힘인 원자력은 핵력에 대한 이해에서 출발한다. 핵력을 깨뜨리는 젓이 원자탄이라면, 핵력을 융합하는 것이 수소폭탄의 기본원리라고 봐도 그리 틀린 말은 아니다. 당연히 플러스작용을 하는 핵융합이 핵분열보다 많은 에너지를 생성한다. 이런 어마어마한 에너지를 지닌 약한 핵력과 강한 핵력이 우주에 존재하는 가장 강한 힘들이다. 이상이 파인만의 표준모형을 이루는 16개의 기본입자와 소립자에 대한 설명이다. 16개의 기본입자가 만들어내는 원자라는 공간은 전자기력과 핵력에 의해 안정화된다.

 

 

헌데 문제가 아직도 하나 남았다. 불확정성의 원리와 배타원리가 핵심인 양자역학의 세계가 완성되려면 빅뱅에 의해 생성된 16개의 입자들에 영향을 미쳐(질량을 부여하는 것) 물질을 이루게 하면서도 현재의 우주에는 존재하지 않는 또 다른 성질을 지닌 스핀 0의 기본입자가 필요했다. 특이점에 있을 때는 에너지의 형태로만 존재했지만, 빅뱅 이후에 우주를 구성하는 과정에서 탄생한 16개의 기본입자들 중에 질량을 부여하는 또 다른 가상의 입자가 있어야 했다. 그렇지 않으면 우주의 곳곳에 있는 행성들의 탄생을 설명할 방법이 없었다.   

 

 

즉, 파인만이 완성한 표준모형의 16개 입자들로 이루어진 중력과 전자기력, 약한 핵력과 강한 핵력을 설명하려면 특정 입자들에 질량을 부여해서 빅뱅 이후 초대칭적 팽창을 계속하고 있는 무한대의 공간(다차원의 우주를 뜻함)을 각종 물질들로 채우는 역할을 했던 기본입자를 모아서 물질을 이루고 이것들이 수십억 년에 걸쳐 뭉치면서 행성을 만들고, 서로 충돌하지 않게 만류인력에 의해 자리잡을 때까지 움직이게 하는 또 다른 입자가 필요했다. 즉 만물 탄생을 가능하게 하는 기본입자의 탄생을 주도했지만, 지금은 사라진 또 다른 기본입자에 대한 이론이 필요했고, 이를 최초로 정립한 사람이 힉스 교수였다.

                                                   CERN의 입자가속기

 

이렇게 해서 1964년에 나온 힉스입자에 대한 이론을 증명하려면 너무나 짧은 시간 동안만 존재해서 현재의 우주에는 없는 힉스입자의 존재를 확정하는 증거가 필요했고, 이를 위해 양성자와 전자를 깨뜨리기 위해 천문학적인 돈이 투입된 입자가속기가 만들어졌다. 그리고 2010년 힉스입자를 발견하기 위한 실험이 시작됐고, 양성자와 반양성자를 충돌시켰을 때 나타난, 양성자와 반양성자보다 작은 입자들 중에 힉스입자로 보이는 것이 슈퍼컴퓨터 상에 포착됐다. 이렇게 슈퍼컴퓨터 상에 흔적을 남긴 힉스입자에 대한 3년 동안의 연구 끝에 존재를 확정하기에 이른 것이다.

 

 

그 증거로 물리학자들은 힉스입자의 질량이 양성자의 134배에 달한다는 구체적인 정보도 내놓을 수 있게 됐다. 힉스입자의 얼마나 초고준위의 에너지를 가지고 있는지, 그래서 다른 입자들과의 관계에서 질량을 부여하고 순식간에 사라져야만 하는지 알 수 있게 됐다. 힉스입자는 그 질량을 이용해 다른 입자들에게 질량을 부여한 후 소멸하는 것으로 추정된 것은 진공상태인 우주의 팽창을 질량이 무려 양성자의 134배에 달하는 입자(어마어마한 에너지다)가 우주 중에 존재하면 우주의 팽창도 원자의 구성도 불가능하기 때문이다.

 

 

이것으로 파인만의 표준모형을 기준으로 설명할 수 있는 힉스입자에 대한 기본적인 이론들이며 이번에 그 존재가 확정된 것이다. 물리학자들이 힉스의 작동원리에 대해 정확하게 파악하고 구현해낼 수 있다면 우주 곳곳에 널려 있는 반물질에 상응하는 물질을 만들어 어마어마한 에너지를 창출할 수 있어 우주 여행을 광속에 가까운 속도로 할 수 있게 된다. 아니면 안정성이 높은 핵연료 물질들을 만들 수도 있으리라.  

 

 

하지만 힉스입자에 대해 필자는 한 번도 보지 못했고, 완벽히 이해하지 못해 이 정도밖에 설명할 수 없으며,조물주가 만물을 창조한 것과 비슷하게 무(질량이 없는 상태)에서 유(질량이 있는 상태)를 칭조해내는 역할(정확히는 힉스장이 기본입자들에 질량을 부여한다)을 한다고 해서 ‘신의 입자’로 불리는 힉스입자의 존재가 이로써 베일의 대부분을 벗었다.

 

 

허면, 이제는 인간이 신과 동일하게 무에서 유를 창조를 할 수 있는 날이 올까? 물리학자들은 뭐라고 할지 모르겠지만 필자가 생존해 있는 동안에는 ‘글세올시다’라고 말할 수밖에 없다. 이에 대해 힉스입자의 존재를 확정한 물리학자들은 물론 리처드 도킨스도 노발대발하겠지만. 왜냐고? 그건 아직까지는 천주교신자인 내 맘이기 때문이며, 그 유명한 며느리도 모르기 때문이고, 대한민국을 말아먹고 있는 푸른기왓집에 세들어 사는 사람들의 행태를 보면 귀신은 뭐하는지 모르기 때문이다.

                                                                                                  사진 출처 : 구글이미지