[197호 과학학술: 힉스입자] 힉스 입자를 찾아서 -2013년 노벨 물리학상의 의미

이론상으로만 존재했던 신의 입자, ‘힉스’의 존재가 결국 확인됐다. 힉스 입자가 존재한다는 가설을 제시한 영국 에든버러대학 피터 힉스 교수와 브뤼셀자유대학 프랑수아 엥글레르 교수가 2013년 노벨 물리학상을 공동수상했다. 이에 이 세상 만물에 질량을 부여하고 우주 생성의 비밀을 밝혀낼 단서가 되는 힉스 메커니즘에 대해 알아보고, 힉스 입자를 발견한 것이 어떤 의미를 갖는지를 살펴본다.

 

197-06-1

지난 10월 8일, 왕립 스웨덴 과학 아카데미는 영국의 피터 힉스(Peter Ware Higgs)와 벨기에의 프랑수아 엥글레르 (FranÇois Englert)를 올해의 노벨 물리학상 수상자로 선정했다고 발표했다. 수상 이유는 “아원자 입자의 질량의 근원을 인간이 이해하게 해주고, 최근에 CERN의 LHC에서 ATLAS와 CMS 실험팀이 그들이 예측한 기본입자를 발견함으로써 확인된 메커니즘을 이론적으로 발견한 공로”였다. 여기서 말하는 ‘그들이 예측한 기본입자’가 바로 피터 힉스 의 이름을 딴 ‘힉스 입자’이며, 이로 인해 확인되었다고 하는 메커니즘 역시, 그의 이름을 따서 ‘힉스 메커니즘’이라고 부른다.

 

아직까지 인간이 알지 못했던 새로운 입자, 새로운 현상을 발견한다는 것은 언제나 놀랍고 신기하고 흥미로운 일이다. 이 세상에는 아직도 우리 인간이 알지도 느끼지도 못하는 일들이 가득 차 있고, 우주에는 우리가 탐구할 것이 얼마든지 남아 있다. 힉스 메커니즘은 지금까지 물리학자들이 발견한 자 연 법칙 중에서도 가장 오묘하면서 심오한 의미를 담은 원리 중 하나다. 이 글에서는 힉스 메커니즘이 무엇이고, 힉스 입자를 발견한 것이 어떤 의미인지를 설명해 보겠다.

 

 

표준모형

 

하늘을 올려다보며 별들과 우주의 법칙을 궁금해 하고, 이 세상을 이루는 물질의 근원과 본질은 무엇인가를 숙고하는 것은, 아주 오래 전에 호모 사피엔스라는 종이 지성이라고 부르는 특별한 능력을 가지게 되면서 늘 맞닥뜨리는 일이었다. 지난 백여 년 동안, 세상은 무엇으로 이루어졌고, 이 우주는 어떻게 생겨나서 어디로 가고 있는지에 대한 지식이 폭발적으로 증가했다. 지금 우리는 물질의 본성에 관해서 그 이전 사람들에 비해 비교도 할 수 없이 많은 것을 알고있다. 그 결과의 단적인 예가 지금 여러분 손에 쥐어져 있는 스마트폰이다. 우리가 물질의 성질을 원자 수준에서 이해하고 있기 때문에 스마트폰의 전자 장치를 만들 수 있고, 중력과 시공간의 성질에 대해서 알고 있기 때문에 위성에서 오는 정보를 이용해서 스마트폰이 현재 시간과 당신의 위치를 알 수 있으며, 원자 핵에서 나오는 에너지를 제어할 수 있기 때문에 원자력발전소에서 나온 전기로 스마트폰을 충전시킬 수 있는 것이다. 그러나 과학자들이 스마트폰을 만들기 위해서 양자역학과 일반 상대성 이론과 핵물리학을 발전시킨 것은 아니다. 인간은 이 세상을 이해하고 새로운 현상을 설명하기 위해서, 관찰하고 고심하고 연구해서 지식을 쌓고 그속에 숨어있는 원리를 깨달으려고 노력했을 뿐이며, 그 결과로 오늘날 우리는 예전 같으면 꿈같은 소리로 들렸을, 스마트폰을 손에 쥐고 있게 되었다. 이런 것이 기초과학이다.(사실 내 폰은 아직 스마트폰이 아니다.)

 

2008년, ‘거대한 하드론 충돌기(Large Hadron Collider, 이하 LHC)’가 가동을 시작한 이래, 이름 그대로 엄청나게 거대한 이 기계는 내내 과학계의 화제의 중심을 지켰다. 사고로 인한 고장, 수리, 재가동 과정이라는 우여곡절을 거친 끝에, 마침내 가속기가 정상적으로 작동하자, LHC는 실험하는 당사자들조차 놀랄 만큼 훌륭한 데이터를 내놓기 시작했다. 그 리고 그 데이터는 물리학자들이 알고 있던 이론인 입자물리학의 표준모형(the Standard Model)과 정확히 일치했다.

 

표준모형은 물질의 근본적인 본성에 대해 우리가 알고 있는 모든 것이다. 표준모형에 대해 이야기하기 위해, 우선 원자에서 이야기를 시작하자. 우리가 지금 보고있는 이 세상의 물질들은 모두 원자로 이루어져 있다고 말한다. 그럼 원자란 과연 무엇일까? 20세기에 접어들 무렵, 과학자들은 원자의 성질을 탐구할 만한 지식과 기술을 갖추게 되었다. 그리고 여러 실험과 추론과 검증 결과, 원자는 (+) 전기로 된 원자핵과 (-) 전기로 된 전자로 이루어져 있다는 것을 알게되었다. 우리 주변의 물건을 만들기 위해 원자가 다른 원자와 결합할 때는 전자를 주고받거나 공유한다. 그래서 원자 속의 전자의 상태를 알면, 우리가 보는 대부분의 물질의 성질을 이해할 수 있게 된다. 전자가 다른 전자나 원자핵과 상호작용하는 힘은 전기력이다. 자석이 쇠를 잡아당기는 힘인 자기력도 전기력의 다른 형태라는 것이 이미 오래 전에 알려졌으므로, 이 힘은 흔히 둘을 합친 이름인 전자기력(electromagnetic force)이라는 이름으로 부른다.

 

다음으로 원자핵은, 수소의 원자핵인 양성자와, 양성자와 거의 같지만 전기를 띠지 않는 중성자로 이루어져있다는것을 알게 되었다. 원자핵의 종류는 원자핵이 몇 개의 양성자로 이루어져 있는가에 따라 결정된다. 그런데 이렇게 양성자가 원자핵을 이루는 것은 전자기력으로는 설명할 수 없다. 양성 자는모두(+)전기를 띠고 있기 때문이다.(+)전기를 띤 양성자와 전기를 띠지 않은 중성자를 원자보다 훨씬 작은 크기로 꽁꽁 뭉쳐놓기 위해서는, 양성자끼리 밀쳐내는 전기력보다 훨씬 강하고, 전기와는 무관한 다른 힘이 존재해야 한다. 이 힘을 강한 핵력이라고 부른다.

 

한편, 태양 속과 같은 특수한 상황에서는 새로운 현상이 일어난다. 태양 속은 밀도가 극히 높아서 입자들이 아주 가까이 접근하게 되므로 핵융합 반응이 일어나며, 그런 정도의 원자 핵의 크기 이하에서는 강한 핵력뿐 아니라 또다른 힘이 작용한다. 이 힘은 입자의 종류를 바꿀 수 있는데, 크기가 매우 작으므로 우리가 일상적으로 보는 현상에서는 관찰하기 어렵다. 힘의 세기가 상대적으로 약하고, 원자핵보다 더 작은 크기에서만 작용하므로 이 힘은 약한 핵력이라고 부른다. 지상에서 약한 핵력은 방사성 원소가베타 붕괴라는 방식으로 붕괴할 때 관찰할 수 있다. 나아가서 양성자와 중성자의 내부를 탐색해 보았더니, 이 입자들은 단순한 기본 입자가 아니라 무언가 구조를 가진 복합체라는 것을 알게 되었다. 또한 이밖에도 강한 핵력에 의해 상호작용하는 입자들이 더 발견되었다. 이들의 성질을 연구한 결과, 더 작은 기본입자가 강한 핵력으로 양성자와 중성자, 그리고 그 밖의 입자들을 이루고 있음이 확인되었다. 이 기본입자를 통틀어서 쿼크라고 한다.

 

전자는 강한 핵력을 느끼지 못하기 때문에 원자핵에 합쳐 지지 않고, 전자기력으로만 원자핵과 상호작용해서 원자를 이룬다. 전자는 현재로는 더 이상의 구조를 가지지 않는 기본 입자라고 여겨진다. 전자처럼 강한 핵력을 느끼지 못하는 기본입자는 그 뒤로 몇 개 더 발견되었다. 이들을 통틀어서 렙 톤이라고 부른다.

 

표준모형은 이렇게 지금까지 우리가 알아낸 기본입자인 쿼크와 렙톤이, 전자기력과 강한 핵력과 약한 핵력에 의해 어떻게 상호작용하는지를 설명하는 이론이다. 표준모형은 양자 장 이론이라는 이론적 틀로 기술된다. 양자 장 이론의 근본적인 요소는 장(field)이다. 즉 전자도 쿼크도 빛도 모두 장이다. 장이어떤 상황이 되면, 즉 에너지를 충분히 얻거나 하면 우리가 입자나 파동이라고 부르는 형태로 나타난다. 즉 우리가 보통 빛이라고 부르는 것은 광자장이 전파되는 것이고, 전자란 전자 장이 에너지가 충분하면 만들어 내는, 정해진 질량을 가진 입자다. 그러니까 세상을 이루는 근본적인 물질을 찾는 입자물리학자들은 세상의 기본 요소를 장이라고 보는 것이다. 양자 장 이론이라는 이론적 틀이 필요한 이유는, 양자 장 이론이 20세기에 물리학 분야에서 인간이 이룬 거대한 진보의 두축인 양자역학과 상대성이론이 결합된 이론이기 때문이다.

 

표준모형은 그러므로, 양자역학과 상대성 이론을 기반으로 하는이론이다. 그리고 이 두 가지말고 중요한 원리가 또 들어있는데, 그것은 게이지 대칭성이라는 원리다. 게이지 대칭성은 전자기 법칙을 설명하는 맥스웰 방정식에서 찾아낸 원리다. 물리학자들은 빛과 전자가 만났을 때 일어나는 일을 게이지 대칭성을 포함한 양자장 이론으로 극히 정교하게 계산할 수 있었다. 이 성공에 힘입어, 물리학자들은 게이지 대칭성을 더욱 확장해서 강한 핵력과 약한 핵력까지 모두 게이지 대칭성으로 설명할 수 있었다.

 

 

대칭성 깨짐과 힉스 입자

 

그런데 이 원리만으로는 설명할 수 없는 것이 남아있다. 그것은 입자의 ‘질량’이다. 게이지 대칭성이 존재하려면 빛처럼 상호작용을 전달하는 입자들은 모두 질량이 없어야 하기 때문이다.그런데 강한 핵력과 약한 핵력은 둘다 매우 짧은 거리에만 작용한다. 이를 설명하는 한 가지 방법은 상호작용 을 전달하는 입자가 무겁다고 생각하는 것이다. 그러나 상호 작용을 전달하는 입자의 질량은 게이지 대칭성과는 모순된다.

 

주변을 둘러보면 곧 느낄 수 있듯이, 자연의 대칭성은 정확하게 지켜지는 일이 오히려 드물고, 현실의 많은 경우에는 대칭성이 깨진 상태로 존재한다. 그리고 그 결과 우리는 더욱 풍부한 자연현상을 보게된다. 대칭성이 깨지는 방식 중에서 자발적 대칭성 깨짐(spontaneous symmetry breaking)이라는 과정은 특히 중요한 과정이다. 1928년 하이젠베르크(Werner Heisenberg)는 강자성(ferromagnetism, 철이나 니켈처럼 영구자석이 되는 금속의 자기적 성질)을 설명하면서 이 아이디어를 제안했다. 이 아이디어는 물리학의 여러 분야에 응용 되었으며, 특히 1957년 미국의 존 바딘(John Bardeen), 리언 쿠퍼(Leon Neil Cooper), 그리고 바딘의 대학원생 슈리퍼 (John Robert Schrieffer)가 초전도 현상을 설명하는 데 핵심적인 역할을 했다.이 이론은 그들의 이름을 따서 BCS이론이라 불린다. BCS 이론은 물성에 관한 이론의 금자탑 중 하나다.

 

자발적 대칭성 깨짐의 아이디어를 간단히 살펴보기 위해서 하이젠베르크의 강자성 이론을 조금 더 자세히 설명해보자. 철과 같은 물질은 아주 작은 자석들로 이루어진 것으로 생각될 수 있다. 자성을 갖지 않는 보통의 경우에는 이들 자석들이 제각각 다른 방향을 향하고 있어서 전체적으로는 자성이 서로 상쇄되어 자기를 갖지 않는 것으로 보인다.이럴 때 이 물질에 대해서는 특정한 방향을 정할 수가 없다. 즉 방향에 관해서 대칭성을 가지고 있다. 그런데 온도가 점점 내려가면 작은 자석들은 점점 같은 상태가 되어 한 방향으로 정렬하게 되고 자석이 된다. 그러면 이제 특정한 방향으로 방향성이 생겼으므로, 원래 있었던 방향에 대한 대칭성이 깨진 것이다. 이때 작은 자석들이 택하는 방향은 물리적인 이유로 결정되는 것 이 아니므로 전적으로 임의로 정해진다. 이와 같은 방식으로, 더 낮은 에너지 상태를 택하면서 대칭성이 깨질 때 우리는 대칭성이 자발적으로(spontaneously) 깨졌다고 부른다.

 

1960년 미국 시카고대학의 일본 출신 이론물리학자 남부(南部 陽一郞, Nambu Yo ichiro)는 자발적으로 깨지는 대칭성이라는 아이디어를 입자물리학에 처음 도입한다. 훗날 남부는 이 업적으로 노벨 물리학상을 받게 된다. 응집물질 물리학자인 앤더슨(Philip Warren Anderson)은 1963년에, BCS 이론에서 골드스톤 보손이 전자기장, 즉 빛의 일부가 되면서 마치 빛이 질량을 가진 것과 같은 상태가 된다는것을 밝혔다. 이것은 자발적으로 게이지 대칭성이 깨지면 질량이 나타난다는 것을 보인 첫 논문이었다. 그러나 앤더슨의 논문은 응집물리학자의 논문답게 상대성 이론이 배제된 경우에 대한 것이 었으므로 입자물리학자들의 주목을 끌지는 못했다.

 

다음 해 마침내 문제가 해결되었다. 1964년에 영국 에든버 러대학의 힉스(Peter Higgs), 벨기에 브뤼셀 대학의 엥글레르(FranÇois Englert)와 브라우(Robert Brout), 그리고 미국의 구랄링크(Gerald Guralnik), 하겐(C. Richard Hagen), 키블(Tom Kibble)은 거의 동시에 게이지 대칭성이 자발적으로 깨지는 과정에 대한 논문을 내놓았다. 이들의 설명은 스핀이 0인 스칼라장이 가지는 가장 낮은 에너지상태가 게이지 대칭성이 깨진 상태라면, 이론적으로는 게이지 대칭성이 존재하면서도, 드러나는 현상은 게이지 대칭성이 깨지고 게이지 입자가 질량을 가진 것으로 보인다는 것이다. 그리고 특히 피터힉스는이럴 경우 질량을 가진 스칼라입자가 하나 나타난다는 것을 지적했다. 이들이 보인 바와 같이 게이 지 대칭성이 자발적으로 깨지는 과정을 힉스 메커니즘이라고 하며, 이때 에너지 상태를 정해주는 스칼라장을 힉스 장, 대칭성이 깨지면서 나타나는 스칼라 입자를 힉스 입자라고 한다. 즉 힉스 입자가 나타난다는 것은 힉스 메커니즘이 작용한 다는 것을 보여주는 직접적인 증거가 된다. 노벨 위원회가 제시한수상 이유가 바로 이런 의미다.

 

사실 이들의 결과가 정확하게 LHC에서 발견된 힉스 입자를 가리키는 것은 아니다. 왜냐하면 이들은 모두 자발적 대칭성 깨짐으로 강한 핵력을 설명하려고 했기 때문이다. 이 아이디어를 약한 핵력 이론에 적용한 것은 와인버그(Steven Weinberg)와 살람(Abdus Salam) 등이었다. 특히 와인버그 는 1967년 글래쇼(Sheldon Glashaw)가 제안한 게이지 대칭성을 적용하고, 다시 힉스 메커니즘으로 약한 핵력을 나타내는 게이지 대칭성이 자발적으로 깨지는 모델을 만들었다. 이것이 바로 표준모형의 핵심적인 구조이며, 여기서 나타나는 전기적으로 중성인 스칼라 입자가 바로 LHC에서 발견된 힉스 입자다.(강한 핵력이 가까운 거리에서만 작용하는 이유는 힉스 메커니즘때문이 아니라 다른 이유때문임이 훗날 밝혀졌다. 여기서는 이 내용은 소개하지 않는다.)

 

또한 와인버그는 힉스 장과 전자도 상호작용을 하며, 이로 인해 힉스 메커니즘이 작용할 때 전자의 질량도 생긴다는 것을 보였다. 결국 표준 모형의 모든 입자는 힉스 장과의 결합을 통해서 질량을 가지게되어 우리가 보는 형태로 모습을 드러내게되는 셈이다. 아마도 이것이 1988년 노벨상 수상자이며 페르미연구소 소장을 지낸 레더먼(Leon Lederman)이 힉스 입자에 관해 쓴 자신의 책의 제목을 “신의 입자(God Parti- cle)”라고 지은 이유일 것이다.(책을 읽어보면 진짜 이유는 더 길다.)

 

질량을 가진다는 의미는 다음과 같다. 상대성 이론에 의하면 질량이 없는 입자는 빛의 속도로 운동하게되고, 질량이 있는 입자는 절대로 빛의 속도에 도달하지 못한다. 즉 입자의 질량이란 빛의 속도에서 얼마나 느리게 움직이느냐를 가지고 정해질수있다. 힉스 장은 모든 공간에 깔려 있으면서 우주 전체의 에너지 상태를 정해주며, 또한 여러 입자들과 상호 작용을한다. 상호작용이큰입자는 마치 꿀 속을 지나가는 것처럼 속도가 느려지게 되어 큰 질량을 가진 것이 되고, 상호작용이 작은 입자는 물속을 지나는 것처럼 그보다 빠른 속도로 움직이므로 질량이 작다고 느껴지게 된다.

 

여담이지만, 지금까지 본 것처럼 여러 사람이 공헌한 이론에 유독 힉스의 이름이 붙게된 것은, 힉스의회상에따르면, 1972년 미국 페르미연구소에서 열린 컨퍼런스에서, 당시 페르미연구소 이론물리학 부장이며, 대표 발표자였던 한국 출신의 이휘소가 약한 상호작용의 여러 이론을 언급하면서 처음으로 ‘힉스 메손(Higgs meson)’이라는 말을 쓰면서부터였 다고 한다. 결국 세 사람까지만 주어지는 노벨상은 힉스 메커니즘 논문을 발표한 순서대로 엥글레르와 힉스에게 돌아갔다.(엥글레르와 같이 논문을 발표한 브라우는 2011년 타계해서 영광을 함께 누리지 못했다.)

 

197-06-2

 

표준모형의 완성과 새로운 출발

 

LHC 가동 이전까지 수많은 실험을 통해 표준모형의 모든 입자가 발견되었고, 그들의 상호작용과 여러 현상이 극히 정 확하게 검증되었다. 그리고 실험적으로 직접 존재를 확인하지 못하고 남은 입자는 힉스 입자뿐이었다. 힉스 입자를 발견 해서 힉스 메커니즘이 실제로 작용하고 있는지를 검증하는 것이, LHC에 있어서 첫 번째 가장 중요한 과제였다. 그리고 이제 LHC는 그 첫 번째 사명을 훌륭하게 완수했다. 이로써 표준모형의 모든 구조는 완전히 검증되었고, 양자역학과 상대성 이론의 기반 위에 게이지 대칭성으로 상호작용이 설명 되며, 그 중 약한 핵력에 해당하는 게이지 대칭성은 힉스 메커 니즘에 의해 자발적으로 깨져 있다는 것이 확인되었다. 실로 힉스 메커니즘은 표준모형의 기본 원리 중 하나였던 것이다. 이로서 물질의 근본에 대해 우리가 이해하는 바가 더욱 확고 히 검증되었다. 이 장면이야말로, 인간의 지성이 현재 도달한 위치를 나타내주는 이정표라고 할 수 있다. 또한 바꿔 말하면, 이제 표준모형 너머의 세계를 탐구할 준비가 완료되었고, 힉스 입자는 그 출발점이다.

 

이강영 / 경상대학교 물리교육과 교수

 

* 그림설명및출처

– 그림1: 힉스 메커니즘을 발견해서 노벨상을 수상한 엥글레르(왼쪽)와 힉스(오른쪽) ⓒwww.bbc.co.uk

– 그림2: 자발적으로 대칭성이 깨지는 모습. 전체적으로는 분명 대칭적인 모양이지만 공이 에너지가 가장 낮은 곳으로 가면 어느 방향인가로 가야 하므로 대칭성이 깨진다.) ⓒ usersguidetotheuniverse.com

작성자: khugnews

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