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[노벨물리학상 특집] 힉스의 모든 것 3

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[노벨물리학상 특집] 힉스의 모든 것 3

2013.10.09 10:03
[PART3] “힉스 입자가 질량을 준다는 말은 잘못”

힉스 입자 vs. 힉스 메커니즘

도대체 힉스 입자가 뭐기에 이렇게 세상이 떠들썩한 걸까. 신문이나 방송을 보면 ‘힉스 입자가 다른 모든 입자들의 질량을 준다’고 하는데, 이 말은 또 무슨 뜻일까. 무엇보다 이 입자를 발견한다는 건 왜, 얼마나 중요한 걸까.

질량 주는 건 ‘힉스 입자’ 아닌 ‘힉스 메커니즘’

먼저 중요한 오해를 하나 해결하고 넘어가자. 어쩌면 이 글에서 가장 중요한 지적이다. 언론에는 “힉스 입자가 다른 입자에 질량을 준다”는 말이 많이 나왔다. 심지어 입자물리학자들도 이렇게 말한다. 하지만 엄밀하게 말하면 틀린 말이다. 다른 입자들에게 질량을 주는 현상은 ‘힉스 메커니즘’이다. 이는 힉스 입자와는 분리해 사용해야 하는 용어다. 힉스라는 사람 이름(피터 힉스)이 공통으로 들어가 있기 때문에 혼동하고 있을 뿐이다. 차차 자세하게 얘기하겠지만 힉스는 모든 입자에 질량을 주는 과정(힉스 메커니즘)에서 함께 생겨나는 입자다.

그러면 우선 힉스 메커니즘에 대해 알아보자. 지난 2세기 동안 원자, 원자핵, 전자, 핵반응 등 입자물리 연구결과를 빠짐없이 잘 설명하고 있는 ‘표준모형’이라는 이론이 있다. 이 모형은 글래쇼, 살람, 와인버그가 완성해 1979년 노벨상을 수상했다. 이 이론의 기본적인 틀은 ‘ 게이지 대칭성 ’이라는 성질이다.

이 성질을 쉽게 설명하면 우주에 존재하는 힘이 사실은 입자를 주고받으며 생긴다는 것이다. 즉 전자기적인 상호작용(전자기력)은 광자라는 입자를 교환하며 발생하는 것이고, 약한 상호작용은 W입자와 Z입자를, 강한 상호작용은 글루온이라고 부르는 입자를 교환하며 생긴다. 여기서 광자, W입자, Z입자, 글루온이 다 게이지 입자 다. 힘이 입자라니 당혹스러울 수도 있겠지만 대부분의 입자물리학자들이 사실로 받아들이고 있다.

그런데 문제가 있다. 게이지 대칭성이 있으면 전자나 쿼크, W입자, Z입자 등 모든 입자들이 질량을 가질 수 없다는 점이다. 하지만 실제로는 광자와 글루온을 제외하면 모든 입자가 질량을 가지고 있다. 도대체 어떻게 이런 모순을 해결할 수 있을까.



질량 메커니즘 1  
자발적으로 깨지는 대칭성

이 문제를 풀 실마리는 우리 주변에서 쉽게 볼 수 있는 자석 안에 있었다. 자석은 철, 니켈, 크롬과 같이 전이금속이라고 불리는 원소들로 이뤄져 있다. 자석을 이루는 원자의 가장 바깥쪽에는 전자가 한 개 있다. 자석 전체의 에너지가 가장 낮아지면 이 전자가 가지고 있는 스핀 이 모두 한 방향을 가리킨다. 이때가 바로 자석이 되는 순간이다.

자석이 되기 전에는 전자의 스핀이 제각각 다른 곳을 가리키기 때문에 전체적으로는 일정한 방향이 없다. 그래서 이 물질을 회전시켜도 스핀의 방향은 여전히 일정한 방향이 없는 상태 그대로다. 그러나 자석은 스핀이 한 방향으로 정렬돼 있다. 만일 회전시키면 방향이 달라진다. 즉 대칭이 깨지는 것이다. 이렇게 에너지가 가장 낮을 때 대칭성이 사라지는 상황을 물리학자들은 “대칭성이 자발적으로 깨졌다”고 말한다(120쪽 그림 1).

앞에서 게이지 대칭성이 있으면 질량을 가질 수 없다고 말했다. 그런데 대칭성이 자발적으로 깨지면 표준모형에서도 입자가 질량을 가질 수 있게 된다. 현실과 이론 사이의 불일치를 해결할 가능성이 생긴 셈이다.



질량 메커니즘 2
 다른 입자와 상호작용하는 입자

하지만, 여전히 ‘어떻게’ 질량을 가질 수 있을지는 해결되지 않았다. 이제 입자가 질량을 가지는 과정을 살펴보자.

자신이 표준모형을 처음 만든 사람이라고 가정하고 새로운 모형을 만들어 본다고 생각해 보자. 우선 앞서 든 예에서 ‘자석의 스핀’ 역할을 하는 입자 네 개를 도입한다. 왜 하필 네 개냐 하면, 여러 상호작용을 가능하게 하면서 가장 적게 도입할 수 있는 입자 수기 때문이다.

다음으로 이 입자들이 다른 입자와도 상호작용을 할 수 있다고 해보자. 다른 이유는 없고, 그렇지 않다고 가정하는 게 오히려 특별하기 때문이다. 다시 말해 입자는 다른 입자와 상호작용을 하는 게 더 자연스럽다.

이제 가장 낮은 에너지 상태에서 이 입자 중 하나가 자석의 스핀처럼 한 방향의 값을 갖도록 해보자. 비유를 계속해 보면, 이 입자는 자석과 같은 역할을 한다. 이 자석 입자에는 다른 입자들이 달라붙는데, 세게 달라붙는 입자일수록 질량이 크다. 자석에 작은 쇠구슬과 큰 쇠구슬을 붙인다면 큰 쇠구슬이 작은 쇠구슬보다 더 세게 달라붙어 떼어내기 힘들 것이다. 전자와 쿼크 등 물질세계를 이루는 입자 대부분은 이러한 과정에서(자석에 달라붙는 과정) 질량을 얻는다(자석은 어디까지나 비유임에 유의하자. 실제로 입자가 힉스입자에 달라붙는 것은 아니다).



질량 메커니즘 3  다른 방향으로 진동하는 입자

마지막으로 힘을 매개하는 W입자와 Z입자가 질량을 갖는 과정을 살펴보자. 기타 줄을 세게 매고 튕겨 보자. 기타 줄의 주위로 진동이 생길 것이다. 입자물리학에서는 원래 매어두었던 기타줄의 길이 방향을 앞에서 예를 든 스핀의 방향으로, 그 주위의 진동을 입자로 생각한다.

이렇게 한 방향(스핀)을 정하고도 계속 남은 네 개의 입자(기타 줄의 진동 포함) 중 세 개를 W+, W-입자와 Z입자로 흡수시킨다. 광자와 같이 질량이 없는 입자는 진행방향에 수직인 두 방향으로만 진동할 수 있다. 그런데 입자가 질량이 있으려면 편광방향(진동방향)이 한 개 더 있어야 한다. 새로 도입한 입자 중 세 입자를 다른 입자(질량을 갖기 전 W, Z 입자)에 흡수시키면 필요한 편광방향을 한 개씩 더 주는 효과가 있다. 이로써 W입자와 Z입자는 질량을 갖게 된다(위 그림 3).

정리하면, 새로운 입자 네 개를 도입한다. 이 중 한 입자는 낮은 에너지 상태에서 자발적으로 대칭성이 깨진 뒤 자석과 같이 하나의 스핀 방향을 향하게 하고, 이를 통해 전자나 쿼크에 질량을 준다. 나머지 세 입자는 W+, W-, Z 입자가 흡수한다. 이로써 자연계에 존재하는 모든 입자가 질량을 가질 수 있게 됐다. 이 복잡한 과정이 바로 힉스 메커니즘이다.

지금까지 힉스 ‘입자’에 대한 설명은 하나도 없었다. 힉스 입자는 무엇일까. 앞에서 네 개의 입자를 새로 도입했다. 그 중 세 개는 W입자와 Z입자의 일부분이 됐고, 하나가 남았는데 이것은 어디에도 흡수시킬 수 없는 독립적인 입자다. 이것은 대칭성이 깨지며 쿼크와 경입자에 질량을 주는 자석을 만든 후에 그 주위로 진동하는 입자다. 이 입자가 바로 힉스 입자다. 따라서 “힉스 입자가 다른 모든 입자에 질량을 준다”는 것은 잘못된 표현이다. 다만 질량을 주는 과정에서 힉스 입자가 생겨나고 힉스 입자를 통해 질량의 세계를 엿볼 수 있는 것은 맞다.




[CMS 연구팀이 한 자리에 모여서 기념 찰영을 했다. 우리나라를 포함해 41개국 4065명의 과학자와 기술자가 연구에 참여했다.]

“이것이 힉스 입자다”

힉스 입자는 스핀이 없는 ‘스칼라 입자’이며, 전하도 없다. 놀랍게도 입자 중에 스칼라 입자는 힉스 입자밖에 없다. 전자나 쿼크는 스핀이 1/2이고, 광자나 W입자, Z입자는 스핀이 1이다. 힉스 입자는 다른 모든 입자와 상호작용을 한다. 그런데 그 세기는 입자의 질량에 비례한다. 즉 질량이 큰 입자와 가장 상호작용을 세게 한다.

하지만 힉스 입자의 질량은 얼마인지 예상하기 어렵다. 그래서 찾기 어려웠다. 이 질량이 양성자 정도인지, 양성자 질량의 1/100인지, 100배인지 1000배인지 전혀 알 길이 없었다. 술래잡기를 해도 숨은 사람이 어디 숨었는지 대략 짐작할 수 있어야 찾기 쉽다. 숨은 사람이 집에 갔다면 도저히 찾을 수 없다. 그래서 지금까지 힉스 입자를 찾기가 어려웠다.

숨바꼭질을 할 때를 생각해 보자. 찾기 어려우면 발자국이나 주변 환경이 변한 모습 등 여러 흔적을 찾으려고 애쓴다. 물리학자들도 똑같다. 그래서 흔적, 즉 힉스 입자가 기여하는 물리적 과정을 찾았다.

그것은 B중간자(쿼크와 반쿼크로 이뤄진 입자. 전자 등 가벼운 입자와 양성자 등 무거운 입자 사이의 질량을 가짐)가 붕괴하는 과정이다. 이 과정은 다른 가속기들에서 자세하게 측정됐고, 복잡한 이론 계산과 비교할 수 있다. 힉스 입자가 있다면, 힉스 입자 자체가 직접 나타나지는 않아도 B중간자가 붕괴할 때 잠깐 나타났다가 사라지는 효과를 계산할 수는 있다. 이를 바탕으로 계산해 보면 질량이 양성자보다 약 100배 정도는 커야 한다.

입자는 질량이 크면 여러 입자로 붕괴한다. 붕괴할 때 나타나는 입자가 여러 개면 분석하기 어렵다. 그래서 힉스 입자에서 붕괴했다고 확신할 수 있는 분명한 과정을 찾기 시작했다. 그 중 하나가 힉스 입자가 두 개의 광자로 붕괴하는 과정이다. 두 개의 광자를 측정하면, 이 광자들이 어느 질량을 가진 입자에서 붕괴했는지 알 수 있다. 물론 다른 과정에서 우연히 광자가 두 개 나타났을 수도 있다. 하지만 우연히 나타나는 것은 어느 에너지에서나 거의 일정하게 나타나지만, 한 입자에서 붕괴했을 때는 특정한 에너지에서 많이 나타난다. 그 신호를 이번에 찾은 것이다.

그런데 두 개의 광자로 붕괴하는 과정은 매우 깨끗하지만, 이 과정에 참여하는 전자기적 상호작용은 매우 약하다. 따라서 이 신호는 매우 많은, 다른 상관없는 신호들에 묻혀버린다. 상관없는 신호들이 힉스 입자가 붕괴하는 신호보다 20~30배는 크다. 그래서 짚단 속에서 바늘 찾기와 같은 작업을 할 수밖에 없었다. 즉 매우 많은 실험결과가 필요했다. LHC는 드디어 꽤 많은 실험결과를 갖게 됐고, 이를 근거로 힉스 입자를 발견했다고 발표했다.

그렇다면 이것이 정말 찾으려고 노력했던 힉스 입자일까. 혹시 모르고 있던 전혀 다른 입자가 숨어 있다가 나타난 것은 아닐까. 그 답을 알려면 이번에 발견한 입자의 다른 특징을 연구해야 한다. 그래서 7월에 발표할 때는 어디서도 힉스 입자를 발견했다는 말은 없고, 새로운 입자를 발견했다고만 했다. 실험물리학자들의 신중함을 존중하지만, 우리는 힉스 입자를 발견했다고 믿어도 되겠다.

힉스 입자, 그 후

그래서 세상에 변한 것이 무엇인가. 사람들이 살아가는데 바뀐 것이 무엇인가. 이것을 발견하면 부자가 될 수 있는가. 힉스 입자가 발견됐다고 하늘이 연두색이 되는 것도 아니고, 인류의 기근이 해결되는 것은 아니다.

필자의 대답은 이렇다. 우리는 물리학을 통해 인류의 지적 능력의 한계가 어디인지 탐구한다. 힉스 입자를 발견하면서 지적 능력의 정수인 표준모형이 완성됐다. 이제 인류의 지적 능력은 우주가 어떻게 만들어지고, 그 안에 입자들은 어떻게 상호작용하여 별이 만들어지고, 인류가 생겨났다는 것을 설명할 수 있게 됐다. 마치 우사인 볼트 덕분에 인간이 100m를 10초 안에 뛸 수 있다는 육체적 능력의 끝을 볼 수 있었던 것처럼 말이다. 힉스 입자를 발견한 것은, 인간의 지적 능력의 산물인 표준모형의 눈동자에 점을 찍어준 것과 같다. 세상이 바뀌었는가. 그렇다. 우리가 세상을 보는 눈이 달라졌다.

이미지출처 : 동아사이언스, CERN        

 

※ 위 기사는 과학동아 2012년 8월호에 수록된 기사 입니다.

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