힉스 예측 표준모형 이론과학 '마침내' -노벨물리학상

   그림으로 푸는 2013 노벨 물리학상   

1964년 힉스 메커니즘 제시한 힉스, 앙글레르 이론물리학자 49년만에 영예

 +  난해한 '힉스' 노벨위원회는 어떻게 설명했나 (해설문 번역)


00Nobel_higgs2.jpg » “우주는 대칭적으로 창조되었을 것이고, 눈에 보이지 않는 힉스장도 둥근 그릇의 한복판에 공이 안정적으로 놓인 것처럼 대칭성을 이루고 있었을 것이다. 그러나 우주대폭발이 있고 나서 10의 -11승 초 직후에 이미 힉스장이 대칭적인 중심점에서 떨어진 곳으로 가장 낮은 에너지 준위를 옮기면서 그 대칭성은 깨졌다.” 출처/ 노벨위원회 2013년 노벨물리학상 설명자료


“마침내(Here, At Last)!”

2013년 노벨 물리학상 수상자를 발표하는 스웨덴 왕립과학원 노벨위원회가 예정각보다 1시간이나 늦은 발표 회견에서 내놓은 발표문의 첫 마디는 이처럼 ‘마침내!’였다. 1964년 처음 힉스 입자(Higgs boson)의 존재를 처음 예견한 두 이론물리학자가 팔순의 나이에 노벨상의 영예를 안았으니 “마침내”였고, 입자물리학 표준모형이 이론과 계산만으로 예측한 힉스의 존재가 최근 최대 규모의 입자가속기 실험에서 사실상 확인된 데 이어, 노벨상 수상을 통해 입자물리학 표준모형의 완성을 널리 알리는 상징적 사건이니 “마침내”였을 것이다.


00Nobel_higgs6.jpg » 물리학의 표준모형을 보여주는 그림. 입자물리학에 따르면, 우주의 물질과 힘은 기본 입자들의 상호작용이다. 힉스 입자는 다른 기본 입자들과 상호작용해 입자들이 질량을 지니게 한다. 출처/ Wikimedia Commons, 국립페르미가속기연구소(Fermi Lab) 노벨위원회는 8일 각각 힉스 입자의 존재를 이론으로 발견한 프랑수아 앙글레르(80·Francois Englert)와 피터 힉스(84·Peter Higgs)를 2013년 노벨물리학상 수상자로 선정했다고 발표했다. 같은 업적을 앙글레르의 공동연구자인 로버트 브라우트(Robert Brout: 1928-2011)도 세웠다고 노벨위원회는 평가했으나, 고인한테는 상을 주지 않는다는 노벨상 원칙에 따라 브라우트는 아쉽게 수상자에서 빠졌다. 노벨위원회는 이날 “아원자 입자 질량의 기원을 이해하는 데 기여하는 메커니즘(힉스 메커니즘)을 이론으로 발견한 공로”가 인정된다고 말했다. 수상자들의 이론은 세계 최대의 ‘빅뱅 머신’이라는 별명을 지닌 유럽입자물리연구소 거대 강입자충돌기(LHC)에서 2010년부터 진행된 대규모의 힉스 입자 검출 실험을 통해 확증된 바 있다. (여러 연구자 중에서 ‘힉스’ 이름이 사용된 것은, 저명한 입자물리학자인 이휘소 박사(Benjamin Whisoh Lee: 1935-1977)가 생전에 ‘힉스 입자’라는 이름을 쓰면서 이런 이름이 널리 쓰이게 됐다)

00Nobel_higgs3.jpg » “힉스 입자 H가 우주를 구성하는 기본입자를 설명하는 입자물리학의 표준모형을 완성한다.” 출처/ 노벨위원회 2013년 노벨물리학상 설명자료

힉스 입자의 존재가 검출 실험에서 지난해 확인된 데 이어 힉스 메커니즘의 이론적 발견이 노벨상 수상의 영예를 안음으로써, 우주 삼라만상을 17개 기본입자(쿼크·전자 등 물질 입자 12개와 광자·글루온 등 힘 매개입자 4개, 그리고 힉스 입자)의 상호작용으로 밝히는 입자물리학 표준모형의 이론적 지위는 더욱 굳건해졌음을 확인받게 됐다. 노벨위원회는 “힉스 입자가 표준모형을 완성한다”고 평가했다.

00Nobel_higgs4.jpg » “프랑수아 앙글레르와 피터 힉스가 지난해 7월4일 힉스 입자의 발견을 세계에 선언하던 때에 유럽입자물리연구소(CERN)에서 처음 만났다.” 출처/CERN, http://cds.cern.ch/record/1459503, 노벨위원회 설명자료에서 재인용

두 수상자가 제시한 이론은 ‘지금 이 우주는 왜 이렇게 형성됐을까’ 하는 물음에 답하는 표준모형에서 매우 중요한 부분을 차지해 왔다. 힉스 메커니즘 이론에 따르면, 우주대폭발(빅뱅) 직후에 대칭성이 깨지면서 우주의 진공 공간에도 힉스장이 깔려 있으며 이 때문에 기본입자들이 힉스장과 강한 상호작용을 할 때엔 무거운 질량을 지니며 약한 상호작용을 할 때엔 가벼운 질량을 지닌다고 설명한다. 광자(빛)와 글루온 입자는 힉스장과 상호작용을 하지 않기 때문에 ‘질량 없는 입자’이다. 양자장 이론에 바탕을 둔 힉스 메커니즘은 입자물리학 표준모형에서 매우 중요한 부분이기 때문에 이 이론의 물증인 힉스 입자가 실제로 발견되지 못한다면 표준모형에도 대폭 수정이 불가피할 것으로 예상됐으나, 최근 거대 강입자충돌기 검출 실험에서 그 존재가 확인된 바 있다.

00Nobel_higgs5.jpg » 거대 강입자충돌기 안에서 거의 빛의 속도로 가속하던 양성자들이 무더기로 서로 맞부딪힐 때 무수한 입자 신호들이 쏟아져 나온다. 그림은, 충돌 순간에 엄청난 고에너지 상태가 만들어지고 ‘어떤 새로운 입자’가 생성됐다가 두 개의 제트(Z) 보존(약한 핵력을 매개하는 입자)으로 붕괴하고 다시 이들이 각각 2개의 전자(녹색선과 녹색막대기)와 2개의 뮤온 입자(적색선)로 붕괴하는 모습을 보여준다. 이런 붕괴의 경로를 일으키는 것은 힉스 입자일 것으로 추정돼 왔으며, 이 실험을 통해 힉스 입자의 존재가 확인됐다. 그림은 2012년 CMS 검출장치에 기록된 질량중심에너지 8테라전자볼트(TeV)의 양성자-양성자 충돌 사건의 예. 출처/ CERN, CMS

이번 수상자 발표와 관련해 고병원 고등과학원 물리학부 교수는 “이론물리학계에서는 올해 초 좀더 많은 데이터가 힉스의 존재를 확실하게 뒷받침해줬기 때문에 이들의 수상을 기대해왔다. 적절한 시기에 수상을 한 것 같다”고 말했다. 그는 “힉스의 발견이 표준모형을 완성해줄 것으로 믿지만 우주를 이해하려면 암흑물질과 암흑에너지 등 아직 연구해야 할 부분이 많이 남아 있다”고 덧붙였다. (<한겨레>). 힉스 교수는 수상자로 확정된 뒤 “이번에 기초 과학을 인정했다는 점에서  비현실적인 연구의 가치에 대한 인식이 올라가기를 바란다”는 뜻을 밝혔다고 에이피(AP) 통신이 전했다.(연합뉴스)


■ 사이언스온에 실린 '힉스 입자' 관련 주요 글 모음


2012년 최대 과학뉴스는 ‘힉스 사실상 발견’ (2012. 12. 21) 

http://scienceon.hani.co.kr/74239


‘힉스 입자 발견’ 선언이 미뤄진 까닭은? (2012. 07. 06)

http://scienceon.hani.co.kr/33206


힉스 입자로 보이는 새로운 기본입자 발견 (2012. 07. 04)

http://scienceon.hani.co.kr/33186


“만물에 질량을 부여한다?” 힉스 궁금증 문답 (2011. 12. 22)

http://scienceon.hani.co.kr/32278


힉스 검출실험의 현황 -CERN 공식발표문 번역 (2011. 12. 15)

http://scienceon.hani.co.kr/32248


“‘힉스 사냥’ 포위망 더 좁혔다” (2011. 12. 14)

http://scienceon.hani.co.kr/32226


힉스 사냥의 풍경화, 세밀화 (2011. 08. 01)

http://scienceon.hani.co.kr/31475


“힉스 찾기, 아직은 2회말 내년 9회말 기다려달라” (2011. 07. 27)

http://scienceon.hani.co.kr/31454


‘힉스 입자’ 발견 향해 한걸음 앞으로 (2011. 07. 26)

http://scienceon.hani.co.kr/31431

 

‘빅뱅머신’ 고에너지에서 힉스입자 생성 어떻게? (2010. 03. 31)

http://scienceon.hani.co.kr/27955

 

지상최대의 실험..물리학은 수능시험중 (2010. 02. 11)

http://scienceon.hani.co.kr/27253


■ 여전히 난해한 힉스…노벨위원회 해설문은 어떻게 설명했나? (원문 일부 번역)



[…]


질서를 창조한 모형


이 세계를 단지 몇 개의 조립조각(building block)으로 설명할 수 있다는 생각은 오래된 것이다. 이미 기원전 400년에 철학자 데모크리투스는 만물이 원자로 구성되어 있다고 추론했다(원자의 어원인 atomos는 그리스어로 더이상 쪼갤 수 없음을 의미한다). 오늘날 우리는 원자가 더이상 쪼갤 수 없는 존재가 아님을 안다. 원자는 중성자와 양성자로 구성된 원자핵과 그 둘레를 도는 전자로 구성된다. 그리고 중성자와 양성자는 다시 쿼크라고 불리는 더 작은 입자로 이뤄져 있다. 사실, 표준모형에 따르면, 전자와 쿼크만이 더 이상 쪼갤 수 없는 존재이다. 원자핵은 두 종류의 쿼크, 즉 업 쿼크와 다운 쿼크로 이뤄져 있다. 그래서 사실상 모든 물질이 존재하려면 3개 기본입자, 즉 전자와 업 쿼크 그리고 다운 쿼크가 필요하다. 그러나 1950년대와 60년대를 거치면서 예상치 못하게 우주방사선(cosmic radiation)에서, 그리고 새로 건설된 입자가속기에서 새로운 입자들이 관찰됐다. 그래서 표준모형은 전자와 쿼크의 새로운 사촌들을 포함해야만 했다.


물질 입자들 외에도 자연의 네 가지 힘인 중력, 전자기력, 약력, 강력의 각각에 해당하는 힘 입자들도 존재한다. 중력과 전자기력은 아주 잘 알려져 있듯이 끌어당기거나 밀쳐내는 힘으로 작용하며 우리는 그 효과를 우리 눈으로 볼 수 있다. 강력은 쿼크에 작용해서 양성자와 중성자를 핵 안에 묶어 유지한다. 반면에 약력은 예컨대 태양 내부의 핵반응 과정에 필요한 방사성 붕괴 현상의 원인이 된다.


입자물리학의 표준모형은 기본적인 조립조각들과 우리에게 알려진 네 가지 힘 중 세 가지를 통합한다(나머지 하나는 중력으로 현재 표준모형 안에 포함돼 있지 못하다). 오랫동안 이런 힘들이 실제로 어떻게 작동하는지는 수수께끼였다. 예컨대, 자석에 끌리는 금속 조각들은 어떻게 자석이 조금 떨어진 그곳에 놓여 있음을 아는 걸까? 달은 어떻게 지구의 중력을 느끼는 것일까?



보이지 않는 장이 공간을 채우다


물리학이 제공하는 설명은 공간이 여러 가지의 보이지 않는 장으로 채워져 있다는 것이다. 중력장, 전자기장, 쿼크장, 기타 등등이 공간, 또는  달리 말해 4차원의 시공간, 이론이 노는 추상적인 공간을 채운다. 표준모형은 양자장 이론이다. 거기에서 장과 입자는 본질적으로 우주의 조립조각이다. 양자물리학에서 만물은 양자장 안 일련의 양자요동(a collection of vibrations)으로 여겨진다. 이런 양자요동은 우리 눈에 입자로 비치는 작은 꾸러미인 양자(quanta)로 그 장에서 전달된다. 두 종류의 장이 존재한다. 물질 입자를 지니는 물질장, 그리고 힘 입자(힘의 매개)를 지니는 힘장이 그것이다. 힉스 입자도 마찬가지로 종종 힉스장이라 불리는 장의 양자요동이다.


힉스장이 없다면 표준모형은 카드로 지은 집처럼 쉽게 허물어질 것이다. 왜냐 하면 양자장 이론은 억제해야 하는 무한과 볼 수 없는 대칭성성을 불러내기 때문이다. 마침내 프랑수아 앙글레르와 로버트 브라우트(Robert Brout), 그리고 피터 힉스, 또한 이후에 몇몇 다른 이들이 표준모형이 이미 수용한 이론들을 파괴하지 않으면서도 힉스장이 표준모형의 그 대칭성성을 깰 수 있음을 입증했다.


입자들이 질량을 지니지 않아야 표준모형은 작동이 작동할 수 있기 때문이다. 광자를 매개로 삼는 전자기력의 경우에는 아무런 문제가 없었다. 그렇지만 약력은 세 개의 질량 있는 입자, 즉 전하를 띤 두 개의 W 입자와 한 개의 Z 입자가 매개한다. 그것들은 민첩하게 날아다니는 광자와는 어울릴 수 없었다. 전자기력과 약력을 통합하는 전자기약력(electroeweak force)은 어떻게 나타날 수 있을까? 표준모형은 위협받았다. 이것이 앙글레르, 브라우트, 힉스가 입자들이 질량을 획득한다는 독창적인 메커니즘을 들고서 무대에 등장하던 시대의 배경이었다. 그것은 표준모형을 구원할 수 있었다.



유령 같은 힉스장


힉스장은 물리학에서 다른 장들과는 비슷하지 않다. 다른 모든 장들은 다양한 힘을 지니며 가장 낮은 에너지 준위에선 0이 된다. 그러나 힉스장은 그렇지 않다. 공간이 완전히 텅 비어 있다 해도, 그 공간은 여전히 활동정지를 거부하는 유령 같은 힉스장으로 채워져 있을 것이다. 우리는 그것을 눈치채지 못한다. 힉스장은 우리한테 공기와도 같으며 물고기한테 물과도 같다. 그러나 힉스장이 없다면 우리는 존재하지 못할 것이다. 입자들이 힉스장과 접촉할 때에만 질량을 획득하기 때문이다. 힉스장을 개의치 않는 입자들은 질량을 획득하지 않는다. (힉스장과) 약하게 상호작용하는 입자들은 가볍게 되고, 강하게 상호작용하는 입자들은 무거운 것이 된다. 예를 들어 힉스장에서 질량을 획득하는 전자들은 전자와 분자를 창조하고 한데 붙드는 데에서 중대한 역할을 한다. 만일 힉스장이 갑자기 사라진다면, 갑자기 질량 없는 전자들이 빛의 속도로 흩어질 것이기에 모든 물질은 붕괴할 것이다.


그러면 힉스장을 그토록 특별하게 만드는 것은 무엇일까? 힉스장은 세계의 본래 대칭성성을 깨뜨린다. 자연에서 대칭성성은 널려 있다. 얼굴은 균형잡힌 모습이다. 눈송이는 다양한 종류의 기하학적 대칭성을 보여준다. 물리학은 비록 더 낮은 단계이지만 우리 세계를 설명하는 다른 종류의 대칭성을 드러내어 준다. 그런 하나로서 상대적으로 단순한 대칭성은 실험실 실험이 스톡홀름에서 행해지건 파리에서 행해지건 그 결과는 문제가 되지 않음을 규정한다. 실험이 어느 시각에 행해지더라도 문제가 되지 않는다. 아인슈타인의 특수상대성 이론은 시공간의 대칭성을 다루며 입자물리학의 표준모형을 비롯해 많은 다른 이론들에 모형이 되었다. 표준모형의 방정식은 대칭성성을 지닌다. 공은 어느 각도에서 바라보건 동일하게 보이는 것과 마찬가지로 표준모형 방정식들은 그것을 규정하는 관점이 변하더라도 변함없이 유지된다.


대칭성의 원리는 또한 다른 다소 예기치 못한 결과도 낳는다. 이미 1918년에 독일 수학자 에미 뇌테르(Emmy Noether)는 에너지 보존, 전하 보존 법칙과 같은 물리학의 보존 법칙들이 또한 대칭성에서 생겨난다는 점을 입증할 수 있었다.


그렇지만 대칭성이 완성되려면 특정한 조건들이 필요하다. 공은 완벽하게 둥글어야 하며 아주 작은 경사(hump)만으로도 대칭성은 깨질 것이다. 방정식에는 다른 기준이 적용된다. 표준모형의 대칭성 중 하나는 입자들이 질량을 갖지 못하도록 막는다. 그런데 그것은 우리 세계에서 보여주는 바와는 다르다. 그래서 입자들은 어디에선가 자신의 질량을 얻어야만 한다. 대칭성이 존재하면서 동시에 눈에서 사라진 방식을 보여주는 바가 바로 이번에 노벨상을 수상한 메커니즘이다.



대칭성은 감춰졌지만 여전히 거기 존재한다


우리 우주는 대칭적으로 태어났을 것이다. 우주대폭발(빅뱅)의 시기에, 모든 입자들은 질량을 가지고 있지 않았으며 모든 힘들은 단 하나의 원시적 힘으로 통합되어 있었다. 이런 본래의 질서는 지금에야 더 이상 존재하지 않는다. 그 대칭성은 우리한테서 감춰져 버렸다. 빅뱅이 있고서 10-11초가 지나자마자 어떤 일이 일어났다. 힉스장은 본래의 평형을 잃었다. 그것은 어떻게 일어났을까?


모든 것은 처음에 대칭적이었다. 이 단계는 둥근 그릇의 한복판에 공이 가장 낮은 에너지 상태로 놓여 있는 것으로 설명할 수 있다. 한 번 밀면 공은 굴러가기 시작하지만 잠시 뒤 공은 다시 가장 낮은 지점으로 되돌아온다.


00Nobel_higgs2.jpg 하지만 그릇의 한가운데에서 볼록 튀어나온 경사(bump)가 생기면(이제 그릇은 멕시코 모자처럼 보인다), 한가운데의 위치는 여전히 대칭적이겠지만 동시에 불안정한 상태가 된다. 공은 어느 방향으로건 굴러 떨어진다. 모자는 여전히 대칭적이지만 일단 공이 아래로 굴러 내려가면 중심에서 떨어진 그 위치는 대칭성을 감춰 버린다. 비슷한 방식으로 힉스장은 그 대칭성을 깨뜨리고 대칭적인 0의 지점과는 떨어져 있는 진공에서 안정적 에너지 준위를 찾아간다. 이런 자발적 대칭성 깨짐은 힉스장의 상전이(phase transition)라고도 불리는데, 상전이는 물이 얼어 얼음이 될 때와 같은 그런 것이다.


상전이가 일어나기 위해서는 네 개의 입자가 필요하지만, 오로지 하나 힉스 입자만 살아 남았다. 다른 셋은 약력 매개자(전하를 지닌 W 입자 둘과 Z 입자 하나)에 의해 소비되었고 이로써 약력 매개 입자들은 질량을 얻게 되었다. 이런 식으로 표준모형에서 전자기약력의 대칭성은 유지되었다(saved). 약력의 무거운 세 개 입자와 전자기력의 질량 없는 광자 사이의 대칭성은 눈에 보이지 않고 감추어졌을 뿐 유지되었다.


[...]


출처/ 노벨위원회 해설문


오철우 기자 cheolwoo@hani.co.kr

@한겨레 과학웹진 사이언스온
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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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