[210호 과학학술: 입자와 자연계] 입자와 자연계: 한없이 작고 가벼운 것과 우리 우주의 운명

지난 7월, 유럽입자물리연구소(CERN) 과학자들이 대형강입자가속기(LHC) 실험을 통해‘펜타쿼크(pentaquark)’라는 새로운 입자를 발견했다. 이는 물리학계에서 큰 주목을 받았다. 그동안 존재할 것으로 추정됐지만 입증하지 못하다 이제야 성공을 거둔 것이다. 입자의 개념은 일상적으로 아주 작고 거의 눈에 보이지 않을 정도의 작은 물체를 의미하지만 물리학에서는 공간상 한 점에 위치하도록 이상적으로 모형화된 실체를 가리킨다. 이에 본보는 입자를 기본으로 자연계를 이루는 물질과 표준모형, 끈이론 등에 대해 알아보고자 한다.

환원론적 물리학

100층이 넘는 건물을 세우고, 불과 열 시간 정도에 지구 반대편까지 날아가는 비행기를 만들어내는 것을 보면 인간이 물질세계를 이해하고 사용하는 기술 수준에 대해 감탄을 금할 수 없다. 우리가 보고, 만져보고, 측정할 수 있는 자연계를 지배하는 기본적인 법칙에 대해 정량적이고 수학적인 이해를 추구하는 것이 바로 물리학의 목표라고 할 수 있다. 21세기도 벌써 15년이나 지난 오늘, 우리는 물질, 지구, 우주에 대해 얼마나 알고 있고, 또한 모르는 것은 얼마나 남아 있는 것일까?

근대과학의 성과 이후, 우리가 물질계를 이해하는 데 기본이 되는 관점은 어디까지나 환원론이다. 물질의 성질은 그것을 이루는 기본단위에 의해서 결정되고, 그 기본 입자 몇 개 사이의 상호작용을 이해하면 물질의 모든 복잡한 작동을 다 이해할 수 있다는 믿음이 그것이다. 이 관점에 따르면 물질을 이루는 것은 분자이고, 분자를 이루는 것은 원자이며, 원자를 이루는 것은 전자와 원자핵이다. 전자는 원자핵에 비해 수천에서 수십만 배나 가볍지만, 사실은 원자들이 전자를 주고받는 것이 화학, 나아가 대부분의 생물현상이라 할 수 있으므로 물질계 사건 대부분의 주인공이 되는 기본 입자이다. 반면, 원자핵은 기본 입자가 아니라 양성자와 중성자로 이루어져 있는데, 그것들의 결합 방법에 따라 수천 가지나 되는 다른 종류의 원자핵들이 가능하다. 양성자와 중성자는 합쳐서 핵자라 하는데, 각각 쿼크 세 개로 이루어져 있다.

쿼크는 위(u), 아래(d), 맵시(c), 기묘(s), 꼭대기(t), 바닥(b) 여섯 가지가 있는데, 이것들이 세 개 모이면 양성자(uud)나 중성자(udd) 및 다른 여러 가지의 중입자들을 만들어 낼 수 있다. 여섯 개의 쿼크가 중복을 허용해서 세 개가 모이는 것이니 이론적으로는 56가지나 가능하지만, 양성자와 중성자를 제외한 다른 것들은 불안정해서 아주 빠르게 붕괴된다. 이런 입자들의 행동에 영향을 크게 미치는 기본적인 힘은 세 가지로, 우리가 일상생활에서도 경험하는 정전기나 자석의 힘과 같은 전자기력, 핵분열과 핵융합의 원인이 되는 약한 핵력, 그리고 쿼크들이 뭉쳐 핵자를 이루게 하는 강한 핵력 세 가지가 있다.

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입자물리학의 표준모형

기본입자들의 목록과 그 세 가지 상호작용을 설명하는 이론을 입자물리학 표준모형이라고 하는데, 1960년대 글래쇼, 살람, 와인버그 세 사람이 밝혀냈다. <표>를 보면 많은 입자들이 있는데, 여기에서 한 가지 의문이 생길 법하다. 우리 주위의 모든 물질, 즉 화학 교과서에 나오는 모든 물질들은 전부 위쿼크, 아래 쿼크, 전자 세 가지 기본 입자만 가지고 충분히 만들 수 있는데, 표준모형에는 그것보다 훨씬 많은 입자들의 목록이 있다. 이것들 중에는 빛, 글루온 등 물질을 이루지는 않아도 물질의 결합을 담당하는 입자들도 있지만, 맵시, 꼭대기쿼크처럼 인위적으로 만들어 내야만 그 존재를 알 수 있기 때문에 실질적으로 있으나마나한 것처럼 보이는 입자들도 있다. 없어도 상관없는 것들이“가장 기본적인 것들”의 목록에 들어있는 셈인데, 단순성과 아름다움을 추구하는 물리학 연구 결과로는 믿기 힘들 수도 있다. 하지만 전혀 쓸 데 없는 것이라고 생각하지는 말자. 이런 쿼크들은 보통 쿼크보다 훨씬 무거워서 생겨나기도 어렵고 만들어져도 순식간에 붕괴하지만, 초기 우주의 밀도와 온도가 높은 환경에서는 가벼운 쿼크와 마찬가지로 흔하게 존재했기 때문에, 초기 우주의 변화 과정에는 중요한 역할을 담당하고, 대폭발에서 생겨난 우주가 식으면서 우리가 사는 우주처럼 충분히 오래 지속되고 은하와 태양계 등 인간과 같은 고등 생물이 생겨날 수 있는 환경이 마련되는 데 없어서는 안 될 존재라는 것이 알려져 있다.

표준모형에는 물질을 이루거나 그 사이 힘을 담당하지 않는 입자 종류가 더 있다. 하나는 스위스 제네바에 있는 LHC연구소가 2012년 검증해서 그 다음 해인 2013년에 바로 노벨상이 결정된 힉스 입자이다. 이 입자는 원래 네 가지인데, 그중 세개가 약한 핵력을 담당하는 W, Z입자의 종파 부분으로 흡수되어 하나가 남는다. 원래 질량이 0이던 쿼크나 전자들이 질량을 가지게 되는 것은 힉스 입자와의 상호작용이 있고 힉스입자가 진공 기대값을 가지기 때문인데, 결과적으로 W, Z와 같은 상호작용 매개 입자가 질량을 가지게 되는 것을 힉스 메커니즘이라고 한다.

세는 방법에 따라 약간 달라질 수 있지만 표준모형에는 입자가 61가지가 있고, 그 성질들을 결정하는 인수들이 19개가 있다. 힉스 입자의 질량과 상호작용 인수들이 2012년 발표 이후 점점 더 정밀하게 결정되고 있어서, 이제 표준 모형 자체는 빈 곳 없이 모든 구석까지 다 검증되었다고 할 수 있다. 그런데 표준모형이 기반한 양자장론이라는 이론틀이 가진 특수상대론, 게이지 이론같은 대칭성 원리를 제외하면, 쿼크가 여섯 가지라든가 그들의 질량값과 같은 데이터는 사실 경험과 측정의 축적물로서, 다른 어떤 근본적 이유나 원리에 의해 그 성질이 결정된 것은 아니다. 하지만 <표>에서 보듯이 거기에는 복잡하면서도 일정한 패턴이 있다는 것이 자명하기에, 표준모형을 유도해 낼 수 있는 더 단순한 수학적, 이론적 틀이 있으리라는 희망 섞인 예측이 가능하다. 게다가, 표준모형은 물질에작용하는 물리적 힘 중에 중력을 제외한 나머지 세 가지 힘만 수학적으로 다루고 있어서, ‘중력도 포함한 좀 더 간단한 이론이 이복잡한 표준모형을 설명할 수 있지 않을까’하는 것이 당연한 생각이다. 마치 수없이 많은 물질들이 두 페이지로 요약되는 주기율표 원자들의 결합으로 모두 만들어질 수 있는것처럼.

통합에의 길: 초끈이론의 약속

이 두 마리 토끼를 한 번에 잡을 수 있을것으로 기대되는 이론틀이 있는데, 우선 중력을 포함하지 않은 단계에서 표준모형의 여러 상호작용이 완전히 통합되어 있는 이론을 ‘대통일 이론’이라고 한다. 대통일 이론에는 여러 가지가 있지만 언제나 전자와 쿼크들이 원래는 같은 성질을 가지고 있었던 것을 가정한다. 그 물리적인 귀결은 양성자가 아주 약간이지만 불안정해져서 붕괴가 가능해지는 것이다. 따라서 양성자, 즉 수소 이온이 붕괴하는 것을 측정하는 것이 중요한데, 아직은 결정적인 결과가 얻어지지 않았기에 대통일 이론은 검증되지 않은 상태로 남아 있다.

실험적 검증은 쉽지 않더라도 수학적 정합성을 길잡이로 할때 중력까지 포함하는 이론이 가능하다는 것이 1980년대부터 알려졌는데, 그것이 바로 초끈이론, 혹은 간단히 끈이론이라고 하는 것이다. 이 이론에서는 입자가 아니라 특정 길이가 있는 끈들이 물질과 상호작용을 지배하는 기본적 실체라고 보는데, 끈은 한 종류지만 그 진동방법에 따라 다양한 입자들이, 즉 전자와 쿼크들이, 나타난다고 생각한다. 끈이론이 멋진 점은, 실질적으로 무한히 많은 종류의 입자들과 게이지 대칭성을 포함할 수 있고, 중력도 포함하며, 게다가 입자물리 이론에서 골치 아픈 존재인 계산상의 무한대 문제도 해결하는 등 여러 가지 매력적인 성질을 가지고 있다는 것이다.

그런데 끈이론이 좋은 성질도 가지고 있지만 동시에 치러야하는 대가가 있으니, 부자연스러워 보이는 것 중 으뜸이 끈이론은 시간과 공간을 합쳐 10차원에서 정의되어야 한다는 것이다. 즉 상하, 전후, 좌우 세 가지 방향이 있는 것이 우리의 공통적인 경험칙인데, 끈이론은 거기 덧붙여 여섯 개나 되는 방향이 더 있어야 수학적으로 좋은 성질들을 유지할 수 있다는 것이다. 우리의 물질세계와 조화를 이루는 방법은 그 여섯 방향이 작게 말려있다든지 하는 방법에 의해, 아주 정밀한 측정이 아닌 한 공간은 3차원으로 보이게 되는 상황을 가정하는 것이다. 이것은 수학적으로 좀 난해한, 이른바 칼라비-야우 공간의 기하학이 동원되기는 하지만 불가능하지 않아서, 끈이론에서는 입자표준모형과 유사한 이론을 거의 무한히 다양하게 만들어 낼 수있다. 다만 현재 가능한 최고의 실험 기술을 동원해도 우리에게 주어진 입자물리학 현상이 꼭 끈이론에서만 설명 가능한 것인지 아닌지는 판단할 수 없다는 것이 아쉬울 따름이다.

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딥(Deep) 우주: 하나인가, 아니면 한없이 많은가

관심의 대상을 바꾸어서, 이제 우주 전체에 대한 궁금증을 풀어보도록 하자. 밤하늘을 관찰하면 항상 별들은 같은 자리에 있는 것 같지만, 실은 우리 우주는 팽창하고 있어서 별들은 우리로부터 빠른 속도로 멀어지고 있다. 따라서 우리 우주도 영원히 존재했던 것이 아니며, 약 138억 년 전 모든 에너지가 집중되어 있던 한 점으로부터 출발하여 인플레이션이라고 하는 급격한 팽창의 시기를 거쳐 현재에 이르렀다고 보고 있다. 빛의 속도가 유한하기 때문에, 대략 사방 수백억 광년 거리 정도가 우리가 측정할 수 있고 영향을 주고받는 것이 가능했던 영역이다. 우주가 그보다 더 큰지, 만약 그렇다면 그 너머에 무엇이 있는지 실험을 통해 알아내거나 확인하는 것은 원리적으로 불가능하다. 하지만 우주의 행동을 결정하는 방정식을 통해보면, 우리 우주뿐만 아니라 다른 물리법칙 혹은 같은 물리법칙 하에서 다른 상태에 있는 무한히 많은 우주가 병행해서 존재하는 것이 가능하고 또한 자연스럽다. 이것을‘다중 우주’가설이라고 하는데, 그 존재가 직접적으로 관측되지 않기 때문에 과학의 영역인지 형이상학의 영역인지에 대해 논란이 되기는 하지만 종종 진지한 물리학 연구 대상이 되고 있다. 또한 그 성격상 본질적으로 종교 혹은 철학과의 경계가 모호할 수 있어서, 비전문가에게도 즉시 흥미를 끄는 주제이기도 하다.

물리학적으로 우주의 팽창과 변화를 어떻게 설명하는지 좀 더 살펴보자. 비유하자면, 마치 지구상 모든 지점에 온도라든가 기압이라든지 하는 환경변수가 있어서 그에 따라 날씨가 다른 것처럼, 우주의 상태를 결정하는 인플라톤이라는 변수가 있어 그 값에 따라 우주 각 부분의 양태가 달라진다. 현재 관측에 의하면 우리가 속한 우주는 가속팽창하고 있는데, 그것은 인플라톤이 0보다 큰 값을 가진다는 것을 의미하고, 사실은 인플라톤이 가질 수 있는 값 중에 0 혹은 그보다 작은 값도 있어서 현재의 우주가 안정해 보이지만 사실은 안정하지 않은 상태에 잠시 머물러 있는 것이라는 가능성을 시사한다. 다중 우주 관점에서 보면 전체 우주가 원래는 인플라톤이 0보다 큰 값에서 출발했다가 마치 끓는 물에서 수증기 방울이 생겨나듯이 우주적 거품이 생겨나서 그것이 팽창하는데, 우리가 속한 우주가 대폭발 이후에 겪는 급팽창도 사실은 현재보다 더 불안정한 상태에 있다가 생겨난 거품이 팽창하는 과정으로 이해할 수 있다. 연구를 진행하고 여러 가지 계산을 해 보면 인플라톤 변수가 하나만 있는 것이 우리 우주가 겪은 역사를 설명하는 데 가장 자연스러운데, 끈이론 혹은 다른 이론적 접근에서는 이 변수가 단 하나만 있다는 것이 상당히 부자연스러우며 일반적으로 수백에서 수십만 개까지 많은 변수가 있는 것이 오히려 자연스럽다. 이것을 모듈라이 고정 문제라고 부르는데, 끈이론이 현상을 설명하기 위해 넘어야 할 가장 심각한 문제 중 하나이다. 입자물리학 표준모형에서 이 변수 역할을 할 수 있는 것은 무엇인가를 추가하기 전에는 현재로서 힉스 입자 단 하나가 가능하기 때문에, 힉스 입자의 성질을 정밀하게 측정하는 것이 초기 우주의 역사를 이해하는 데에도 중요하다고 할 수 있다. 마치 하늘이 무너지는 것을 걱정하는 것 같은 생각이지만, 우리의 현재 우주가 가장 안정한 상태가 아니라는 것이 이론적으로는 자연스럽고, 우리 우주 내부에 진짜 진공 거품이 생겨나 급팽창하면서 은하나 태양계와 같은 모든 내용물들을 얼려버리는 일이 가능하다는 으스스한 가능성까지만 언급하기로 하자.

한없이 가볍고 보기 힘든 것: 중성미자에 네 번 노벨상이 주어진 이유

이제 다시 작은 입자들의 세계로 돌아가 보자. 표준모형은 입자들의 다양한 상호작용을 19개 변수를 통해 정밀하게 설명하지만 그것이 최종 진리가 될 수는 없고, 표준모형에 있는 입자들과 그 사이의 상호작용을 넘어서는 현상이 있다는 것은 지금까지의 관측으로 이미 확실한 결론이 내려졌다. 지면의 한계로 이 자리에서는 중성미자와 암흑물질에 대한 언급만 하려 한다.

중성미자는 약한 상호작용에서 위 쿼크, 아래 쿼크가 짝을 이루듯이 전자와 짝을 이루는 입자이다. 질량이 아주 작고 전하도 띠지 않아서 검출하기가 기술적으로 아주 어렵지만 그 존재는 분명히 검증되어 있다. 핵분열을 이용하는 원자력 발전소, 핵융합이 일어나고 있는 태양에서도 엄청난 숫자의 중성미자가 만들어지지만 온도가 아주 높았던 초기 우주에서도 무수히 만들어졌고, 그 상호작용이 미미하기 때문에 역설적으로 대폭발의 메아리로서 그 신호가 왜곡되지 않은 채로 우주에 가득 차 있다고 할 수 있다.

암흑물질이란 빛과 상호작용하지 않지만 에너지를 가지고 있고 실제로 우주에 많은 양이 존재해서 우주의 행동에 큰 영향을 주고 있다고 예상되는 입자 종류를 말한다. 그 존재는 여러 가지 독립적인 관측에 의해 뒷받침되는데, 예를 들어 은하계의 회전 속도가 그 안에 들어있는 별들 사이의 중력만으로는 지탱하기 어려울 만큼 너무 빠르다는 것을 들 수 있다. 중성미자의 이해가 중요한 이유 중 하나는 암흑물질의 후보가 되기 때문인데, 현재의 이론과 관측 결과로는 중성미자만으로 충분하지 않기 때문에, 새로운 입자들을 포함하는 방식으로 표준모형이 수정되어야 한다는 데 거의 모든 입자물리학자들이 동의하고 있다.

2015년 노벨 물리학상이 중성미자 진동을 측정한 업적에 대해 일본의 카지타, 캐나다의 맥도널드 두 사람에게 수여되었다. 중성미자 관련해서는 그것이 여러 종류 있다는 것을 밝혀낸 데 대해 1988년, 최초의 직접적 관측에 대한 업적에 대해 1995년, 중성미자를 통한 천문관측을 개척한 데 대해 2002년 이미 노벨상이 수여된 바 있다. 올해 노벨상의 업적인 중성미자 진동 현상은 질량과 섞임각이라는 물리변수가 있어야만 가능한 현상이라, 원래 중성미자의 물리량은 모두 0이라고 가정했던 표준모형을 이미 확장하는 내용이다. 중성미자 물리학은 아직도 모두 밝혀지지 않았으며 한국의 RENO 연구팀이 아직 측정되지 않은 섞임각 측정에 대한 선두주자 중 하나여서 향후 노벨상을 기대해볼 만하다고 하겠다.

그 존재는 이론적으로 보아 확실하지만 아직 전혀 검증되지 않은 근본 입자로 중력자, 즉 중력파 검출 문제가 있다. 이 역시 아주 상호작용이 약해서 검출이 기술적으로 아주 어렵고, 또한 그렇기 때문에 초기 우주 대폭발 및 급팽창의 신호가 아직 깨끗하게 남아있을 것으로 예상되는 새로운 천문학 연구도구 후보이기도 하다. 영화 인터스텔라의 모델로 유명한 킵 손 교수가 아이디어를 낸 LIGO실험, 올해 노벨상 수상자인 일본 카지타 교수가 주도하고 있는 일본의 KAGRA 실험이 준비 중에 있는데, 만약 그것이 성공한다면 표준모형이나 암흑물질의 일부분에 불과한 중성미자 관련한 업적들보다도 훨씬 근본적으로 중요한 물리학 발전이 이루어졌다는 소식을 몇 년 안에 듣게 될 것이다.

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 김낙우 / 물리학과 교수

* 그림 설명 및 출처

-그림 1:  표준 모형의 기본 입자  ⓒStandard model of elementary particles, Wikimedia Commons.

-그림 2:  딱 100년 전인 1915년 아인슈타인이 일반상대론에서 중력파의 존재를 예언한 후, 세계의 내로라하는 과학자들이 눈에 불을 켜고 중력파를 추적했지만, 아직까지 아무도 그것을 찾아내지 못하고 있다. 중력파는 블랙홀들이나 은하들이 충돌할 때 발생하는 것으로 보고 있다.  ⓒnownews.seoul.co.kr/news/newsView.php?id=20150930601007

작성자: khugnews

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