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오늘 저의 블로그가 갑자기 수많은 사람들이 왔다갔더군요. 자그마치 9시40분 현재 754명이었네요. 평상시 10명을 넘기기 어려운게 사실인데 어제 83명이고 오늘은 상상하지 못했던 방문자수를 기록했습니다. 거의 몇달동안 블로그에 글을 쓴 적이 없어 당황했는데 알고보니 어제부터 전세계적인 관심을 끌고 있는 '신의 입자'에 관한 소식이 매스콤을 타고 있기에 그런 것이었습니다.

 

내용은 우주가 생성될 때 모든 입자들에게 질량은 부여한 것으로 생각되는 힉스 입자(Higgs Particle)이 최근 유럽 강입자 가속기 실험에서 발견될 가능성이 매우 높은 것으로 발표되었습니다. 이번에 발견된 새로운 기본입자는 힉스입자일수도 있고 또 전혀 다른 입자일 수도 있는데 만일 전자라면 현재 자연을 설명하는 표준모형이 매우 믿음직한 이론임을 입증하는 것이 되며, 만일 후자라면 무언가 현대물리학을 다시 써야 하는 상황이라 전세계 과학자들이 관심을 쏟고 있습니다.

 

기본입자는 눈으로 보이는 존재가 아니기에 수많은 입자들의 충돌 실험을 통해 세밀하게 그 흔적을 분석할 필요가 있으며 오차율을 줄이는데 많은 시간을 필요료 합니다. 올해 말이나 되어야 구체적인 결과가 나올 것으로 생각됩니다.

다소 서둘러 확실한 검증이 되기도 전에 미완성작품을 발표한 까닭이 유럽경제문제를 극복하기 위한 것이라는 설도 나오고 있는데 그와 관련하여 프레시안 기사을 먼저 보시고

 

다음은 오늘 700명이 넘은 사람들이 제 블로그를 찾은 이유도 제가 작년 4월에 썼던 힉스입자와 표준모형에 관한 간단한 글이었는데 비교적 쉽게 비유적으로 썼기 때문에 이해하기가 어렵지 않을 것으로 생각합니다. 한번 읽어보시지요!!

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미완성 '신의 입자' 힉스, 서둘러 발표한 까닭은?

"표준모형의 완성" vs "우주 생성 비밀은 아직"

 

이른바 '신의 입자'가 발견됐다고 전세계 과학계가 떠들썩하게 환호하는 실험 결과가 발표됐다. 과학계가 '신의 입자'라고 부르는 '힉스 입자'를 마침내 찾은 게 아니냐는 기대 때문이다.

1964년 피터 힉스라는 영국 물리학자가 우주 생성 직후 이런 입자가 있었다는 가설을 제시해서 '힉스 입자'라고 이름이 붙었지만, 지금까지 '가상 입자'였다.

현대물리학으로 우주가 생성된 과정을 설명하는 표준모형이라는 이론이 아직 가설에 머물러 있는 이유도 이 입자가 꼭 있어야 하는데, 그동안 존재했었다는 사실을 입증하지 못했기 때문이다.

그런데 '힉스 입자' 가설이 나온 이후 이 입자가 존재한다는 것을 입증하기 위해 과학계가 지난 48년 동안 매달린 끝에 처음으로 '힉스 입자'와 모든 특성이 일치하는 새로운 입자가 발견됐다는 발표가 나온 것이다.
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▲ 힉스와 모든 특성이 일치하는 입자를 발견했다는 입자 가속 충돌 실험도. ⓒCERN
"힉스와 특성 같은 입자, 과학적 확률로 발견"

그동안 과학계는 힉스 입자를 찾기 위해 전세계 과학자들이 모여 막대한 예산에 거대한 장비동원해 실험을 거듭해 왔다. 이 실험을 주도하는 곳이 유럽입자물리연구소(CERN)다. 물질과 닿으면 물질을 사라지게 하고 엄청난 에너지로 바꾼다는 반물질을 다루는 곳도 이곳으로, 영화 <천사와 악마>에도 나오는 연구소다.

그런데 이 연구소가 4일(현지시간) "모든 면에서 힉스와 일치하는 입자를 찾았다"면서 "이 입자의 존재 확률은 99.99994%"라고 발표했다. 과학계에서 미지의 특정 입자가 존재한다고 인정하려면, 반복적인 실험의 결과가 통계적으로 99.99994%의 확률을 넘어서야 한다.

'힉스와 모든 특성이 일치하는 입자'는 거대강입자가속기(LHC)라는 장비로 실험을 거듭하다가 발견됐다. LHC는 입자를 빛의 속도에 가깝게 가속시키는 입자가속기로 세계 최대 규모다.

둘레만 27km에 이르는 이 원형 가속기는 프랑스 국경 지대 스위스 제네바 인근 지하 100m 깊이에 묻혀 있다. 14년 동안 100억 달러(약 11조4000억 원)가 투입돼 2008년 말에 완공됐으나, 여러 가지 사고로 실험에 필요한 출력을 내지 못하다가 올해 초 정상 출력을 회복한 이후 실험에 필요한 데이터가 급증하면서 성과를 냈다.

실험 방식은 두 개로 나뉜 가속기에서 각각 양성자 빔을 빛의 속도로 가속한 뒤 서로 부딪칠 때 뭔가 나오는 원리를 이용한 것이다. 이 실험이 가장 어려운 점은 빛의 속도로 가속된 입자들을 서로 부딪치게 하는 것이다. 이렇게 입자 충돌에 대한 데이타가 충분히 쌓여야 과학계가 인정하는 확률로 결과를 발표할 수 있는 것이다.

힉스라는 입자가 이런 충돌 과정에서 나오더라도 직접 확인할 정도로 충분한 시간으로 존재하는 것도 아니어서, 그 특성을 확인하는 간접적인 데이터를 얻는 것이다.

아무튼 과학계 내에서 "새로운 입자가 발견됐다"고 인정하는 수준으로 힉스와 모든 특성이 일치하는 입자를 처음으로 찾아냈다는 것이다.

힉스라는 입자가 꼭 필요하다는 표준모형 이론에 따르면, 우주는 17개 입자로 구성돼 있다. 힉스입자가 이 이론에서 중요한 이유는, 표준 모형 이론이 성립하려면 힉스 입자가 반드시 존재했다는 것이 입증되어야 하기 때문이다.

다른 입자는 질량이 없어 빅뱅 이후 그냥 우주를 떠돌 뿐인데, 이런 입자에 질량을 부여해 서로 뭉치게 하고 자신은 사라져버린 역할을 한 것이 힉스 입자라는 것이어서, 힉스 입자의 존재가 입증되지 않으면 표준 모형 이론은 가설에 불과하게 된다.

7개월만에 또 비슷한 발표한 이유는?

이번에도 힉스 입자가 발견됐다는 발표가 나온 것은 아니다. 롤프 호이어 CERN 소장은 기자회견에서 "힉스 입자를 찾은 것이냐"는 질문에 "비전문가라면 찾았다고 대답하겠지만, 이 입자가 힉스가 맞는지 확인하는 작업을 해야 한다"고 말했다. 이번에 발견한 새로운 입자가 힉스가 확실한지는 추가 실험과 데이터 분석을 거쳐 12월쯤 확정될 것으로 과학계는 보고 있다.

힉스 입자를 발견했다고 말하지도 못하는 단계인데, 지난해말 "힉스 입자로 추정되는 입자가 발견됐다"는 발표에 이어 또다시 중간 발표가 나온 배경에 대해, 유럽 경제위기와 연관이 있다는 관측도 나온다. 한국을 비롯해 세계 40여개 국이 참여하고 있는 이 연구에서 일부 유럽 국가들이 지원자금이 없다고 나설 것을 우려해서, 서둘러 발표했다는 것이다.

이번에 발견된 입자가 힉스 입자라고 밝혀져서 표준모형 이론 자체는 성립된다고 해도, 우주 전체를 설명하는 이론이 완성되는 것은 아니라는 지적도 나온다.

표준모형 자체가 우주를 모두 설명하기에는 역부족인 이론이라는 것이 드러났기 때문이다. 우주 에너지의 대부분은 암흑물질과 암흑에너지로 되어있다는 것이 최근 과학계가 인정하는 연구 결과다. 우리가 알고 있는 물질이 우주에서 차지하는 비중은 4%에 불과하다.

이때문에 이번에 발견된 입자가 표준모형의 힉스 입자가 아니기를 바라는 과학자들도 있다. 표준모형을 넘어서는 이론을 연구할 계기가 되기 때문이다.
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자연엔 4가지 서로 다른 종류의 힘이 존재합니다. 그것은 작용 범위가 무한히 긴 중력과 전자기력, 그리고 짧은 범위 안에서만 작용하는 강력과 약력입니다. 우리가 일상적으로 알고 느끼고 있는 힘은 만유인력이라 불리는 중력과 지구상 자연현상의 많은 부분을 만들어내는 전자기력이며, 원자핵속의 양성자, 중성자 같은 강입자들의 상호작용에 해당하는 강력이나, 베타-붕괴에 참여하는 입자들 사이의 힘인 약력은 전혀 느끼지 못합니다. 그 작용범위가 10의 -15승미터(0.000000000000001 미터)정도이라서 원자 세계 이하에서 가능한 힘이지만 만물을 구성하는 모든 원자를 지탱하는 매우 중요한 힘입니다. 일본 최초의 노벨상 수상자 유가와 히데끼 박사가 강력을 매개하는 입자의 존재를 예언하기도 했습니다.

이 4가지 힘은 빅뱅에 의한 우주 생성 직후(약 10의 -40승 초)엔 분리되어 있지 않았습니다. 그러다가 하나씩 분리되어 137억년이 지난 지금 현재와 같은 상황에 놓이게 되었습니다. 따라서 Einstein 같은 물리학자들은 오래전부터 이 4가지 힘을 통합하여 기술하는 하나의 이론을 찾고자 부단히 노력해 왔습니다.

그러나 아직도 그 속시원한 해답을 찾고 있지는 못하지만 매우 빠른 속도로 발전하고 있습니다. 아직까지는 이와 관련된 많은 사실들을 명쾌하게 설명하고 있는 이론이 표준모형(standard model)이라 할 수 있지요. 중력을 뺀 나머지 3개의 힘(전자기력과 약력을 통합한 전기약력과 쿼크들 사이의 상호작용을 기술한 강력)이 작용하는데 관계되는 모든 입자들을 예언하였고, 대부분 입자들이 실험을 통해 입증이 되어 가장 강력한 이론적 모델로 자리잡고 있습니다.

그 입자들 가운데 강력에 참여하는 6가지 쿼크(up-쿼크, down-쿼크, charm-쿼크, strange-쿼크, top-쿼크, botton-쿼크), 그리고 6가지 종류의 렢톤(전자, 뮤온, 타우온과 각각에 해당하는 중성미자), 그리고 힘들을 매개하는 입자들(광자, W입자, Z입자, 글루온)은 그 존재가 확인되었지만, 마지막 하나 모든 입자들에게 질량을 부여하여 '신의 입자'라 불리우는 힉스 입자는 아직 존재가 확인되지 않고 있습니다.

힉스 입자는 매우 무거울 것으로 예측되고 있습니다. 현재 LHC에서 충돌을 일으키는 양성자보다 몇백배 무겁습니다. 충돌하는 입자들보다 이렇게 훨씬 무거운 입자가 만들어지기 위해서는 엄청난 에너지로 충돌할 필요가 있기에 기존의 가속기는 거기에 미치지 못했습니다. 현재 LHC는 양성자를 광속에 매우 가깝게 가속시켜(27km 원형둘레를 1초당 1만바퀴 이상 회전) 충돌시킴으로써 힉스 입자를 확인할 예정으로 있습니다.

이 실험이 1초당 1억번 이상의 충돌이 일어나지만 힉스 입자가 생성되더라도 매우 짧은 시간에 방사능 붕괴하듯이 다른 종류의 입자로 바뀌어버리기 때문에 잘 추적하여 존재했던 사실을 확인하려 하는 실험입니다. 그러면 어떻게 이 입자는 다른 모든 물질들에게 질량을 부여할 수 있을까요? 그 원리는 의외로 간단합니다.

그림에서 첫번째것은 스타 연예인을 기다리고 있는 팬들입니다. 아직 도착하지 않았지요. 둘째 것은 스타가 도착하자 스타를 중심으로 아우성치는 팬들의 모습이지요. 질량이 가벼운 입자는 어떤 힘에 방해받지 않고 잘 갈 수 있으며, 무거운 것은 잘 가기 어렵습니다. 그림에서 스타는 입자에 해당합니다. 별로 인기 없는 저같은 사람은 나타나도 사람들이 동요하지 않기때문에 방해받지 않고 잘 갈 수 있지만 인기가 많은 '소녀시대'같은 이들은 한걸음 옮기기도 힘들겠지요. 이때 인기없는 저는 가벼운 입자이고, 인기많은 소녀시대같은 팀은 무거운 입자입니다.

그 진행속도는 팬들이 결정합니다. 그 팬들을 힉스 장(field)라 부릅니다. 곧 입자의 질량은 그것이 원래부터 존재하는 힉스장과 얼마나 강하게 상호작용하느냐에 달려있습니다. 예를 들어 빛에 해당하는 광자는 힉스장과 전혀 상호작요하지 않습니다. 따라서 빛의 질량은 정확히 0입니다. 그러면 왜 힉스장을 힉스 입자라 부를까요?

보통 입자는 확실한 모양을 갖춘 알갱이로 생각하고, 장(field)이란 공간에 무한히 퍼져있는 파동과 같은 존재로 생각합니다. 이 둘은 완전히 다른 것이라 여기지요. 그러나 현대물리학에서 영원한 입자란 별로 없습니다. 짧은 시간동안 장(field)의 교란이 있을 경우 질서형성을 통해 입자로 만들어졌다가 다시 장으로 흩어져 버리는 입자가 많습니다. 결국 장이 한 곳에 밀집되면 입자가 되고 다시 퍼지면 장이 되므로, 장과 입자를 구분한다는 것은 현재는 의미가 없습니다.

스타가 나타나기 전까지는 고루 퍼진 힉스 장이지만, 스타가 나타나면 그 주변에 밀집하여 모여들어 힉스 입자가 됩니다. 지금 실험에선 그 힉스 입자를 확인하고자 하는 것입니다. 만일 이 입자의 존재가 거짓이라 판명되면 지금까지의 표준모형의 아성은 와르르 무너지게 됩니다. 현대 물리학은 많은 부분 수정하지 않으면 안되게 되어 있습니다. 그러나 대다수 학자들은 확인될 것으로 예상하고 있기는 하지요.

참고로 휠체어 우주물리학자 스티븐 호킹은 힉스입자가 존재하지 않는다는 데에 100달러를 걸었다고 하네요. 존재하면 그래서 좋고, 존재하지 않으면 내기에 이겨서 좋기때문에 그런건지?

참! 힉스 입자가 발견되더라도 표준모형은 4가지 힘 중 중력을 포함하지 못하고 있기 때문에 여전히 미완의 이론으로 남게 됩니다. 보다 최근 중력까지를 포함하여 소위 '모든 것의 이론'이라 불리며 등장한 것이 '끈이론'인데, 이 이론에서 그리는 우주의 모습은 또한 너무 놀랍고도 상상을 초월합니다. 아직 이 이론을 검증하기엔 매우 많은 시간이 필요하겠지만 이번 LHC 실험에서 간접적인 여러 증거들을 확인할 수 있을 것을 기대하고 있기도 합니다.