[뉴스] '힉스 입자' 발견 향해 한걸음 앞으로

LHC 실험 중간발표, 독특한 소립자 신호 포착, 힉스와 관련 가능성에 주목

물리학자들 "데이터 적어 아직 결론 내릴 수 없는 수준, 내년까지 지켜봐야"




00higgs2 » 유럽입자물리연구소(CERN) 거대강입자충돌기(LHC) 안의 입자 검출장치 중 하나인 아틀라스(ATLAS). 출처/ CERN



길이 27km 규모로 프랑스-스위스 국경 지역의 지하 터널에 건설된 거대한 입자 가속기 ‘엘에이치시(LHC, 대형 강입자 충돌기)’에서 그토록 찾고자 했던 ‘힉스 입자’ 사냥에 물리학자들은 한발짝 다가선 것일까? 힉스 사냥의 포위망은 좁아진 것일까? 엘에이치시에서 그동안 이뤄진 양성자 충돌 실험에서 힉스 입자의 존재 가능성을 보여주는 단서가 발견됐다는 소식이 들려온다. 그러나 국내외 관련 연구자들은 여전히 ‘아직 결론을 내릴 수 없는 수준’이라며 매우 신중한 태도를 지키고 있다.


과학저널 <네이처>와 영국 방송 <비비시(BBC)> 등의 보도와 유럽 고에너지물리학회의 발표자료를 보면, 엘에이치시 연구자들은 두 갈래의 양성자 빔을 각자 반대 쪽으로 쏘아 빛의 속도에 가깝게 가속했다가 충돌시키는 실험에서, 충돌 때 무수한 소립자들이 쪼개져 나오면서 이례적인 ‘초과 사건’(힉스 입자가 없을 때 예상되는 사건의 수보더 더 많은 사건)의 신호들이 검출됐다고 밝혔다. 초과 신호는 대체로 120~140 기가전자볼트(GeV) 구간에서 포착됐는데, 만일 이 신호들이 힉스와 관련된 것이라 해석할 수 있다면, 한번도 확인된 적 없는 힉스 입자가 120~140 기가전자볼트의 질량 구간에 있을 가능성이 있다는 얘기로 풀이될 수 있다(고에너지 입자물리학에선 질량이 곧 에너지이며 에너지가 곧 질량이므로, 질량과 에너지는 같은 물리량으로 표현될 수 있다). 이 실험 중간결과는 지난 22일 프랑스 그르노블에서 열린 유럽 고에너지물리학회(EPS)에서 보고됐다.


양성자와 양성자를 가속 충돌시키면 매우 많은 소립자의 복잡한 신호들이 동시에 검출되기 때문에, 질량 크기를 알지도 못하는 힉스 입자의 질량 신호를 따로 구분해 찾아내기는 쉽지 않은 일이다. 이번에 검출된 초과 사건 신호들은 만물의 네 가지 힘 중 하나인 ‘약한 상호작용(약력)’을 매개하는 입자인 더블유(W) 보존이 붕괴할 때 생긴 것으로 일단 해석되는데, 더블유 보존의 신호일 가능성이 주목받는 이유는 힉스가 생성됐다가 곧 붕괴할 때 더불유 보존 쌍들이 생성되기 때문이다 (제트(Z) 보존으로 붕괴하는 경우도 있다).


즉 “두 양성자가 7 테라전자볼트(TeV)의 고에너지 상태로 충돌하고 힉스가 순간적으로 생성되었다가 곧 더블유 입자와 양자역학적 가상 더블유 입자 쌍(W+ virtual W)으로 붕괴했다는 것이 이번에 ‘힉스 비슷한 이벤트’로 생각되는 시그널의 가능한 해석이다”(박성찬 교수, 전남대학교/고등과학원, 관련 블로그 ExtraD).


론 연구자들은 아직 힉스 입자의 존재 가능성을 점칠 단계가 아니라며 신중에 신중을 기하는 태도를 보이고 있다. 그러니 섣부른 기대는 금물이다. 무엇보다 아직은 과학적 확실성을 보장할 만큼 데이터의 양 자체가 크지 않기 때문이다. 더 많은 데이터가 모여야, 분석의 신뢰도도 높아질 수 있다.


엘에이치시의 시엠에스(CMS) 실험에 참여 중인 손동철 경북대 교수는 “초과 사건들은 분석 과정에서, 또는 통계적으로도 생길 수도 있다”며 ”확실한 증거가 되려면 데이터에서 보통 ‘5 시그마’ 수준의 효과를 관측해내야 하는데 아직 이런 수준에 도달하지 못했다”고 말했다. 입자물리학자들 사이에서 ‘시그마’는 데이터 확실성의 정도를 나타내는데, 예컨대 ‘5 시그마’ 수준은 데이터의 오류 가능성이 100만 분의 1 정도라 신뢰할 수 있는 ‘발견’으로 받아들여지지만 ‘3 시그마’ 수준의 데이터는 1000분의 1 정도로 잘못일 수 있어 정확성이 상대적으로 떨어진다. 박성찬 교수는 이번 데이터는 "통계적으로 2.8 시그마 수준으로, 120~140 기가전자볼트 데이터가 (주목받으며) 논의되기 시작해 (이전에 비하면) 긍정적인 발걸음으로 볼 수 있지만 아직은 신중해야 한다”고 말했다.


런 가운데, 미국 페르미연구소에 있는 입자 가속 충돌기인 테바트론(TEVATRON)에서도 정확도는 떨어지지만 엘에이치시 실험결과와 비슷한 결과를 내놓아 주목받고 있다. 영국 방송 <비비시>는 엘에이치시의 중간 실험결과가 발표된 같은 유럽물리학회에서 테바트론 연구팀이 ‘140 기가전자볼트(GeV)의 질량 구간 부근에서 힉스 입자의 존재 가능성을 추정할 수 있는 단서가 발견됐다’는 발표를 했다고 보도했다.


테바트론의 실험 데이터는 ‘1 시그’마’ 수준으로서 정확성이 엘에이치시의 결과에 비해 크게 떨어지는 데다, 테바트론 가속기의 실험 자체가 올해 안에 종료될 예정이어서 학계에는 그다지 큰 파급을 일으키지는 못하고 있다. 결국 힉스가 발견된다면 그 발견의 장소는 엘에이치시가 될 가능성이 그만큼 높아졌다. 그러나 비슷한 질량 구간(140 GeV 부근)에서 엘에이치시 실험에서 그런 것처럼 ‘힉스 입자가 두 개의 더블유 입자로 붕괴하는 현상’이 관측됐다는 해석이 보고된 것은 흥미로운 대목이다.


힉스 발견에 대한 기대가 높아지는 것과 관련해, 손동철 교수는 “엘에이치 실험이 지금보다 거의 1.5배~2배 정도로 더 많은 자료를 모으면, 정확도는 현재보다 1.5배 정도 더 생길 것”이라며 “(내년 6월 안에 어떤 결과가 발표되리라는 전망에 대해) 이번 결과로 본다면 아직은 발견할 수 있는 시기를 좀 더 늦추고 싶지만 더욱 세밀한 분석이 뒤따른다면 (그런 기대도) 가능할 것으로도 본다”고 말했다.






‘힉스 사냥’ 포위망 좁히기



힉스 입자는 1960년대에 영국 물리학자 피터 힉스를 비롯해 몇몇 학자들이 당시 입자물리학의 난제들을 푸는 과정에서, 우주 만물의 대칭성과 비대칭성이 모두 다 설명되려면 모든 입자에 질량을 부여하는 입자가 반드시 존재해야 한다는 가설을 내세우면서 세상에 알려졌다. 지금은 매우 정교한 지식으로 발전해온 현대 물리학의 표준모형에서 중요한 축으로 자리를 잡고 있다. 그동안 가설의 입자인 힉스를 실제로 발견하려는 실험연구가 계속돼왔으나 아직 발견되지 못했다. 지상 최대의 기계장치로 불리는 거대 강입자 충돌기인 엘에이치시의 중요한 실험 임무 중 하나도 바로 힉스 입자의 신호를 검출하는 것이다.


그동안 연구에서 힉스 입자가 존재할 수 있는 질량 구간은 점점 좁혀져 왔다. 1989년 가동을 시작한 유럽입자물리연구소(CERN)의 가속충돌기 엘이피(LEP)에서 물리학자들은 지난 2000년까지 힉스 사냥에 나섰으며, 힉스를 찾진 못했지만 그 연구의 결과로 ‘힉스 입자의 질량은 114 기가전자볼트보다는 크다’는 성과를 이뤘다. 이어 미국 페르미연구소의 가속충돌기인 테바트론에서도 힉스 사냥이 시도되었다. 테바트론에서는 150~170 기가전자볼트의 질량 구간에서 힉스의 신호를 발견하고자 했으나, 결국 ‘힉스는 150~170 기가전자볼트 구간엔 존재하지 않는다’라는 결론만을 확인했다.


이번 엘에이치시 실험에서 힉스의 거점을 찾는 포위망은 더 좁혀졌다.


시엠에스 검출기 실험에서는 149~206 기가전자볼트의 구간과 300~440 기가전자볼트의 구간에 표준모형이 예측하는 힉스 입자가 존재할 가능성을 배제했다. 또한 아틀라스 검출기 실험에서는 155~190 기가전자볼트 구간과 295~450 전자볼트 구간이 배제됐다.

 

 

00higgs1 » 출처 / http://blog.vixra.org/2011/07/22/big-day-for-higgs-boson/


이렇게 해서 힉스 입자가 존재한다면, 입자의 가속 충돌 때 생기는 갖가지 고에너지 신호 중에서 그것을 검출할 수 있는 질량 구간은 현재 수준에서는, 그동안 여러 실험결과에서 가능성이 배제되지 않은 114~149 기가전자볼트 구간과 대략 200~300 기가전자볼트 구간이 유력한 후보로 압축되고 있는 셈이다 (위 그림 참조). 연구자들은 힉스 입자가 114~149 기가전자볼트의 구간에서 발견될 가능성이 현재로선 상대적으로 더 높다고 보고 있으나, 다른 가능성도 배제하지는 않고 있다. 심지어 이전에 배제되었던 구간에서 발견될 가능성조차 완전히 배제할 수 없다고 말하는 물리학자들도 있다. 그러므로 입자물리학의 가속충돌 실험에서는 그야말로 수많은 충돌의 사건을 일으키며 무수한 데이터를 만들어내고, 데이터의 바다에서 잡음 신호 아닌 의미 있는 신호를 찾아내는 일이 관건이 되고 있다.


한국에서는 엘에이치시의 실험과 관련해 80여명의 한국 과학자와 연구원들이 국내와 유럽입자물리연구소(CERN)에서 연구 활동을 펴고 있으며, 뮤온검출기 제작, 초전도자석 회전체 제작, 제어실 컴퓨터 자재 공급 등에 기여했고 현재 CMS 실험자료센터(CMS Tier-2)를 운영하며 CMS 실험자료 분석을 돕고 있다.







전자우편 인터뷰/ LHC 실험 참여 손동철 경북대 교수


00SDC » 손동철 교수. 한겨레 자료사진



손동철 교수님. 안녕하세요. 아주 오래 전 인터뷰 때에 뵈었던 한겨레신문의 오철우 기자입니다. LHC 실험과 테바트론 실험과 관련해서 해외 언론들이 보도를 하고 있어, 궁금한 점을 여쭙고자 메일 드립니다.


"오랜만입니다. 오늘 조금 있다가 출장을 가야 하기 때문에 길게 답을 쓸 수 없습니다."



<네이처> 보도를 보면, W 보존의 신호가 과도하게 검출되어 이것이 힉스 입자의 존재를 보여주는 게 아니냐는 해설을 달고 있는데요, W 보존과 힉스 보존의 관계가 어떠하기에 W보존의 과도한 신호가 힉스의 존재 단서가 되는 것인지 궁금합니다.


"힉스의 질량이 알려지지 않았지만, 만일 질량이 180 GeV 이상이라면, W보존으로 붕괴하는 확률이 가장 큽니다. 약 74%이상이 되며, 아래의 Z 보존으로 붕괴하는 경우도 약 25% 가량이 됩니다."



실제로 얼마나 유의미할 정도의 W보존 신호가 검출된 것인가요?


"이 결과는 아직 유의미하지 않습니다. 차라리 배제되지 않았다고 해야 할 것입니다."



어느 물리학 책을 보면 “힉스 입자는 Z 보존으로 붕괴한다”는 표현도 있는데, Z 보존과는 또 어떤 관계인지도 궁금합니다.


"위에서 W보존과의 관계에서 설명했습니다."



이전에 있었던 유럽입자물리연구소의 가속기인 LEP의 실험과 미국 페르미연구소의 가속기 테바트론의 실험으로, 힉스 입자가 존재할 수 있는 에너지 구간(?)에서 <114GeV 이하>가 제외되었고 또한 <150-170GeV 구간>이 제외되었다고 들었습니다. 그렇다면 114-150GeV가 유력한 구간으로 떠올라 있다고 볼 수 있는데, 이번 LHC 실험에서는 이 존재 가능한 구간(이런 용어가 적절한지 모르겠습니다만)이 더 좁혀지고 있는지요?


"사실 제외되었다고 하지만, 모두 95% 신뢰도로 말한 것입니다. (5% 정도로 틀릴 수도 있다는 것을 의미합니다.) LHC 실험의 현재의 자료에서 114-150 GeV 구간이 유력하다고 볼 수 있지만, 200 - 약 300 GeV 구간도 아직 유력하다고 볼 수 있습니다."



이번 LHC 실험 중간발표의 의미를 어느 정도로 받아들여야 할까요? 힉스 입자 발견이 임박한 것인지요? 아니면 집중적으로 지켜봐야 하는 어떤 목표가 생겨난 것인지요? 네이처는 다소 신중하게 보도하고 있던데요(“과학자들은 단지 ‘exess events’라고 말할 뿐 특별한 의미를 달고 있지는 않지만 한편으론 기대를 걸고 있다” 식으로).


"excess event들은 분석과정에서, 또는 통계적으로도 생길 수도 있습니다. 확실한 증거를 가질려면, 보통 5시그마 효과를 관측하는 것입니다. 아직 이런 수준에 도달하지 못했습니다."



테바트론에서도 (정확도는 LHC보다 떨어지지만) 힉스 입자의 존재 단서를 포착했다는 보도도 나옵니다. 아마도 같은 학술대회에서 연달아 발표되고 있는 듯하네요. 테바트론에서도 비슷한 데이터가 나오고 있다면 힉스 입자의 존재 가능성은 더 높아진다고 봐야 하지 않을까요. 테바트론 실험 결과를 어떻게 보시는지요?


"테바트론 실험 결과도 상당히 공유된 영역을 제시하고 있습니다만, LHC 실험보다 자료가 미약합니다. 이번 9월로 테바트론 실험들이 끝나기도 하지만, LHC 실험들이 훨씬 더 높은 에너지에서 자료를 더많이 모을 것이므로, 테바트론에서는 힉스 발견 가능성은 훨씬 미약할 것입니다."



국내 연구자들은 LHC의 CMS, ATLAS 검출실험에 얼마나, 어떻게 참여하고 있는지요?


"국내 연구자들은 CMS에서 참여하고 있으며, 정부에서 한-CERN 협력사업으로 지원하고 있습니다. 약 80여명의 과학자 및 연구원들이 국내와 CERN에서 연구활동을 펴고 있으며, 뮤온검출기 제작, 초전도자석 회전체 제작, 컨트롤룸 컴퓨터 자재 등에 기여하였고, 현재 CMS 실험자료센터인 CMS Tier-2센터를 운영하며, CMS 실험 자료 분석을 돕고 있습니다."



<힉스 입자가 존재하는가>의 문제도 중요하지만 <힉스 입자는 어떤 성질을 지니며 질량은 정확히 얼마인가> 하는 구체적인 팩트들을 구하는 일도 중요하겠지요? 이렇게 과학자들 사이에서 관심의 초점이 되어 규명하고자 하는 힉스 입자의 성질들에는 어떤 것들이 있는지요?


"힉스 입자의 성질은 보통 쿼크와 렙톤이라 알려진 입자들의 질량의 크기와 밀접하게 관련이 있고, 또한 160 GeV 이상으로 질량이 크다면, W, Z 보존 들과의 관계될 수 있는 확률이 매우 큽니다. 이 경우, 즉 약력과 전자기력인 통일되어 기술될 수 있는 부분에서 힉스의 영향이 추가적으로 고려해야 할 부분이 많아진다고 할 수 있습니다. 또한, 초대칭모형에서 예견하는 힉스의 종류와 성질이 다양해 질 수 있으므로 이러한 성질들을 밝혀내는 것이 매우 중요할 것입니다."



힉스 입자의 존재 여부가 내년 6월 이전에 나올 것이라는 보도도 본 적이 있습니다. 언제쯤 결론이 제시될 것으로 내다보시는지요(물론 조심스럽겠지만요)? 그리고 힉스 입자의 존재가 확정된다면, 그건 구체적으로 어떤 의미를 지니는지요? 과학자들에게 다가오는 과학적 의미와 더불어 일반인에게 다가오는 상식적(?) 의미를 함께 말씀해주실 수 있을까요?


"LHC 실험들이 현재보다 거의 1.5배~2배 정도 자료를 모으면, 현재 보다 약 1.5배 정도의 더 정확도가 생길 것입니다. 이번 결과로 본다면, 아직 발견할 수 있는 시기를 좀더 늦추고 싶습니다만. 더욱 세밀한 분석이 뒤따르면, 가능할 것으로도 봅니다. 힉스 입자의 존재는 “입자세계에서의 표준모형”이라는 것의 가장 미스터리한 부분 중 하나이며, 존재가 확실하다면, 표준모형의 근간에 대한 확신을 심어주게 될 것입니다. 어떤 이론으로 한 가지만 빼고 모두 잘 설명이 되는데, 그 한 가지가 아직 확인되지 않고 있는 것입니다. 이를 확인하고, 더욱 정밀하게 자연의 신비를 알 수 있게 되도록 하는 것이 과학의 과정이라고 봅니다."

 

 

[고침] 기사 본문 중에 '시그마'의 의미를 설명하는 대목에 일부 모호한 부분이 있어, 문장의 표현을 수정했습니다.  2011년 7월27일 오후 3시

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오철우 한겨레신문사 과학담당 기자, 사이언스온 운영
1990년 한겨레신문사에 입사해 편집부, 사회부, 문화부, 생활과학부 등을 거쳤으며 주로 과학담당 기자로 일했다. <과학의 수사학>, <과학의 언어>, <온도계의 철학> 등을 번역했으며, <갈릴레오의 두 우주체제에 관한 대화>를 썼다.
이메일 : cheolwoo@hani.co.kr      

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