질량 설명하는 입자, 물리학 퍼즐의 마지막 조각

ㆍ‘힉스’ 가능성 50% 이상 아니어도 ‘새 이론’ 단서
ㆍ반년간 추가 실험·검증

‘새로운 입자’를 발견했다는 유럽핵입자물리연구소(CERN)의 4일 발표에 과학계는 흥분을 감추지 못하고 있다.

물리학계는 지난 50년간 학수고대하던 ‘표준모형의 힉스(Higgs) 입자’를 발견했을 가능성이 높다며 한껏 들떠 있다. 이 입자가 표준모형이 말해온 힉스 입자인지를 알아보려면 거대강입자가속기(LHC)에서 양성자 충돌실험을 반복한 뒤 더 많은 자료를 분석해야 한다.

이 입자가 표준모형이 아닌 다른 모형의 입자로 판명 나더라도 학문적 가치는 충분히 높다. 박성찬 성균관대 교수는 “흥분된다”며 “추후 연구를 통해 힉스가 아니라고 판명 나도 새로운 물리학에 대한 기대를 하게 된다”고 말했다.

■ 표준모형 완성되나
현대 입자물리학은 표준모형이라는 이론으로 설명된다. 이 이론에 따르면 모든 물질은 6개의 중입자 ‘쿼크’(스트레인지·참·톱·업·다운·보텀)와 ‘렙톤’이라는 6개의 경입자(전자·중성미자·뮤온·뮤온중성미자·타우입자·타우중성미자)와 힘을 전달하는 ‘보손’, 질량을 부여하는 ‘힉스’로 구성돼 있다.

쿼크·렙톤·보손 입자는 이제까지 실험적으로 모두 관측됐다. 그러나 힉스만은 실험적으로 관측되지 않았다. 힉스는 입자물리학이라는 퍼즐의 마지막 조각인 셈이다.

힉스가 입증되면 입자들에 질량이 있는 이유도 밝혀진다. 박인규 서울시립대 교수는 “새로 발견된 입자가 힉스가 맞다면 질량의 생성 기원을 이해할 수 있을 것”이라고 말했다.

힉스 입자는 우주가 생성된 빅뱅 시기에 잠시 나타났다가 입자들에 질량을 부여하고 사라졌다. 현대 양자역학은 우주가 힉스장으로 가득 차 있고, 이 장이 입자들에 여전히 질량을 부여하고 있다고 설명한다. 힉스장과 강하게 결합하는 입자는 질량이 크고, 힉스장과 약하게 결합하는 입자는 질량이 작아지는 원리다.

이 외에도 입자들을 수학적으로 완벽하게 기술할 수도 있다. 표준모형에 따르면 세상에는 중력, 전자기력, 약한 핵력, 강한 핵력의 4가지 힘이 있다. 그런데 힉스가 발견됐다면 힉스 사이의 힘인 제5의 힘이 출현하게 되는 것이다.

■ 반년간 힉스 정체 밝히는 데 주력

과학자들은 유럽핵입자물리연구소의 발표가 ‘힉스 발견’이라고 확신할 수는 없지만 힉스일 가능성이 50% 이상이라고 분석했다.

힉스는 붕괴하면서 여러 가지 신호를 내놓는다. 이번 실험에서 포착된 5개의 신호 중 일부 신호는 표준모형과 일치했지만 일부는 일치하지 않았다. 고병원 고등과학원 교수는 “일부 신호의 불일치가 아직 ‘표준모형의 힉스’라고 결론 내릴 수 없는 이유”라며 “신호들 가운데 b쿼크, W보존, 타우입자 세 종류가 125기가전자볼트(GeV)에서 신뢰도 있는 결과를 나타내야 표준모형이 말하는 힉스라고 결론 내릴 수 있다”고 말했다.

유럽핵입자물리연구소는 거대강입자가속기에서 반년 동안 추가실험을 통해 이번에 발견된 새로운 입자가 과연 힉스인지를 명확히 검증해낼 계획이다. 힉스 입자를 예견하는 모델은 ‘표준모형’뿐 아니라 ‘초대칭모형’ 등 다양하다. 모형마다 규정하는 힉스의 성질이 다르다. 이번에 발견된 입자의 성질을 분석하다 보면 어떤 모형이 맞는지 윤곽이 나올 것으로 전망된다.

박 교수는 “새로운 입자의 존재가 명확해진 만큼 국제선형가속기(INC) 같은 새 연구시설을 건설해야 한다는 목소리가 높아질 것 같다”고 말했다.

유럽핵입자물리연구소 측은 2013년부터 2014년까지 2년간 거대강입자가속기의 가동을 중지한 뒤 에너지를 종전의 8TeV의 약 2배인 14TeV로 올린다. 2015년부터는 에너지를 높인 상태로 보강 실험을 계속한다. 입자를 검출하는 데는 가속기의 에너지가 높을수록 유리하다.
경향신문