도대체 힉스입자가 뭐야?

지난 4일 유럽핵입자물리학연구소(CERN)는 영국의 물리학자 피터 힉스가 예상했던 이른 바 힉스 입자를 99.999994%의 확률로 발견한 것 같다고 발표해 전세계를 떠들썩하게 만들었다. '신의 입자`로 불리는 힉스 입자가 발견됐다는 발표에 전세계가 환호하고 있다. 심지어 씨넷 같은 외신은 과학의 독립기념일이라고까지 말하고 있다.

CERN 팀은 지난 6개월에 걸친 실험에서 얻은 결과를 분석한 결과 이번에 발견한 입자가 존재할 확률이 5.1시그마 이상이라고 밝혔다. 확률로 99.99932~99.9994%로 300만번 실험했을 때 1번 정도 이상이 발생하는 수준이다. CERN은 이날 '힉스 발견'이라고 단정하지는 않고 ‘힉스에 일치하는 새 입자 발견이라고 에둘러 표현했다. 기존 이론에 들어맞는 힉스일 가능성이 확실시 되긴 하지만, 완전히 새로운 이론으로 설명해야 할 입자일 수도 있다는 이유에서다.

도대체 힉스입자가 어떤 의미이길래 이렇게 전세계 과학계, 물리학계가 난리법석일까? 그리고 왜 이런 높은 확률로 발견했다면서도 더 검증해야 한다고 했을까?

■힉스입자란 도대체 무엇?

1964년 영국 에든버러대의 물리학자 피터 힉스가 우주상에 존재할 것으로 예견한 입자다. 그는 우주 어디엔가 빅뱅이 일어난 137억 년 전 우주 탄생 당시 모든 물질에 질량을 부여한 뒤 사라진 입자가 있을 것이라고 추정했다.

그는 우주 만물을 생성하고 있는 모든 물질에 질량을 갖도록 매개하는 입자를 생각했다.물질에 질량을 갖는다는 것은 예를 들어 전자가 원자핵 둘레의 궤도를 벗어나지 않는 것을 생각해 볼 수 있다. 무한대로 제멋대로 날아가 버리지 않는 것은 전자에 질량이 있어 무게중심을 잡아주고 있기 때문이다.

반대로 입자에 질량이 없으면 빛의 속도로 움직이겠지만 다른 입자와는 전혀 반응을 하지 못해 우주 만물을 형성할 수 없게 된다.

힉스입자의 정체는 이처럼 만물을 형성하는 입자에 필요한 질량을 제공하는 매개체다.

지금까지 관측할 수 없었고 태초의 순간에만 잠깐 존재했던 것으로 추정돼 ‘신의 입자’로 불려 왔다.

■왜 힉스입자의 존재 가능성에 환호하는가?

우리는 멘델레프가 원소주기율을 생각하고 예견하면서 만물의 구성단위인 원소를 주기율표상에 채워나갔고 이후 발견될 원소까지 예견했으며, 결국 발견해 온 것을 알고 있다.영국의 러더퍼드는 1911년 원자핵 내에 양전기를 띤 입자 인 양성자(proton)의 존재가 있을 것으로 예견해 원자가 더 이상 쪼갤 수 없는 것은 아니라는 것을 밝혀낸 최초의 과학자가 됐다.

이후 물리학자들은 1천억분의 1미터 크기에 불과한 만물을 구성하는 존재의 근원을 알기 위해 원자를 구성하는 더 미세한 입자 발견에 몰두해 왔다.

현대 입자 물리학자들은 이후 발견되는 입자를 기반으로 표준모형(Standard model)을 만들어 왔고 파헤친 원자의 비밀을 표로 만들어 빈공간을 채워가기 시작했다.

그 결과 예상대로 원자를 구성하는 16개의 입자를 찾아 우주의 구성입자임을 확인하는 개가를 올렸다. 표준모형은 어쩌면 멘델레프의 주기율표와 같은 것으로 비유될 수 있다.

CERN의 힉스입자 발견 선언은 그동안 채워온 원자를 구성하는 이 표준모형(Standard model) 구성입자 중 12개에 질량을 부여한 입자를 과학자들의 예상대로 찾아냈다는 의미다.원자를 구성하는 입자를 설명하는 표준모형은 3개의 커다란 범주, 즉 무거운 입자인 강입자(hadron·하드론)를 구성하는 더 작은 입자인 쿼크 6개, 가벼운 입자인 경입자(렙톤)6개,그리고 이들 입자가 밀고 당기면서 결합할 수 있게 해 준 매개 입자인 글루온,w보손,z보손과 광자 등 16개 입자로 구성됐다.

여기서 쿼크입자와 렙톤입자 12개에는 질량이 없었다. 그래서 여기에 질량을 부여한 힉스입자를 찾는 것은 이들에게 질량을 부여하고 입자에 우주의 질서를 부여하는 작업이기도 하다.

LHC 과학자들은 표준모형 이론을 완성할 궁극의 입자인 힉스입자를 발견하고자 했고 이번에 그 존재를 확인한 것으로 보인다. 우주의 모든 물질에 질량을 부여한 137억년전, 즉 신이 “빛이 있으라”했을 그 시점, 즉 우주가 형성된 빅뱅시점의 입자를 찾았다는 점에서 말그대로 '신의 입자'라 할 수 있다.

■우주를 구성하는 입자를 다스리는 4개의 힘

만물을 구성하는 입자에 질량을 부여했다는 힉스 입자를 발견하는데 사용한 '강입자 가속기'란 말은 이해하기 쉽지 않은 단어다.강입자란 강력(strong force·强力)에 의해 결합된 입자라는 의미다. 학자들은 입자가속기에서 가장 발생시키기 쉬운 강입자인 양성자덩어리들 마주치게 충돌시켜 힉스입자의 흔적을 찾으려고 노력해 왔다.

강입자는 과학자들이 밝혀낸 우주를 구성하는 4개의 힘 가운데 가장 강한 결합력을 가진 입자인 양성자와 중성자 등을 말한다. 이들 입자는 파이온 입자라는 강력을 전달(매개)하는 입자로 구성돼 있다.

만물을 구성하는 근원인 원자를 구성하는 입자와 힘을 전달하는 입자를 이해하기 위해서는 우주를 움직이는 4개의 힘의 존재를 알아둘 필요가 있다.

우선 뉴턴의 만유인력으로 잘 알려진 중력(gravity ·重力)이 있다.

우리는 또 원자핵과 전자 사이에는 전자가 떨어져 나가거나 찰싹 달라붙지 않게 해주는 전자기력이 존재한다는 사실도 알고 있다.

아울러 1925년 이태리의 천재 물리학자 페르미가 존재를 예견했고 결국 존재를 발견해 낸 입자로서 중성자가 양성자로 변할 때 발생하는 힘인 약력(weak force ·弱力)도 알고 있다.

마지막으로 원자핵 내부에 있는 양성자와 중성자같은 핵자를 서로 단단하게 연결해 주는 강력(Strong force)이 있다. 1935년 일본의 유가와 히데키가 예상했고 12년 후 그 존재가 밝혀졌다. 유가와는 이로써 일본 최초의 노벨 물리학상 수상자가 됐다.

이 네 개의 힘은 어느 정도의 힘을 가지고 있을까?

물리학자들은 ▲지구 중력의 힘을 1이라고 했을 때 ▲원자핵과 전자 사이에서 밀어내고 당겨주는 힘인 전자기력은 그 100배의 힘을 ▲ 방사성 원자가 붕괴하면서 그 원자의 중성자가 양성자로 될 때의 힘인 약력은 중력의 1천만배의 힘을 ▲원자핵 내부의 중성자와 양성자를 서로 밀고 당기는 힘인 강력은 중력의 10의 38승 배의 힘을 가지고 있음을 밝혀냈다.

가장 강한 힘의 결합으로 구성된 것은 다른 입자보다 무거운(重) 입자인 양성자,중성자 등으로서 강력 매개입자인 파이온입자에 의해 1억분의 1초 동안 쉴 새 없이 생성됐다 소멸됐다 하면서 이 무거운 입자들을 결합시켜 핵을 형성한다. 강력에 의해 결합된 입자라는 의미에서 이들 무거운 입자(중입자)를 강입자로 부른다.

이런 발견이 생활에 무슨 소용이 있을까?

그 대답은 마치 영국의 톰슨이 전자를 발견한 1897년 당시와 오늘을 비교하면 어떨까 싶다. 당시에는 전자 발견이 어떻게 우리 삶에 적용될지 몰랐지만 진공관을 거쳐 오늘날 우리 주변 어디에서나 발견되는 반도체의 원리는 전자의 원리를 기반으로 한 것이다.

■그렇다면 CERN학자들은 이 입자를 어떻게 발견했나?

CERN과학자들의 발표를 정확히 살펴보면, 이 힉스입자를 찾아냈다고 100% 밝힌 것이 아니라 매우 높은 확률로 그 존재 가능성을 찾아냈다고 밝힌 것이다.

그래서 지난 4일 유럽핵물리학연구소(CERN)는 “영국의 물리학자 피터 힉스가 예상한 이른 바 힉스 입자를 99.999994%의 확률로 발견한 것 같다”고 에둘러 발표한 것이며, 그 확률을 높이기 위해 LHC에서 더욱더 지켜보겠다고 말한 것이다.

CERN 학자들은 지름 27km,지하 100m에 판 터널에 설치된 거대한 입자충돌용 가속기 강관 내부에 설치된 지름 5cm의 입자가속기용 관을 지난 2008년 완성했다. 그리고 원자핵의 최소 구성입자, 즉 수소핵인 양성자 덩어리를 충돌시키는 실험을 시작했다. 힉스입자 발견을 위한 실험의 시작이었다.

이 거대한 지하 강관 속 실험장치는 거대 강입자 가속기(Large Hadron Collider)로 불리는데 지구상에서 가장 큰 초전도자석으로 둘러싸인 입자 검출을 위한 여러 장치를 말하는 것이다.

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이 거대한 강입자가속기(LHC)는 모두 4개의 주요 검출기로 구성된다. 즉 ▲양성자 충돌용 ATLAS((A Large Toroidal Lhc Appratus) 및 CMS(Compact Muon Solenoid) ▲보텀 쿼크를 검출용 LHCb ▲ 중이온 충돌용 ALICE(A aLarge Ion Collider Experiment) 등이 그것이다.

CERN은 힉스입자 발견을 위해 지난 2008년부터 7천톤짜리 ATLAS(A Large Toroidal Lhc Appratus),에펠탑의 두배 무게인 1만2천톤짜리 CMS(Compact Muon Solenoid)검출기를 가동해 왔다. 이번 발표는 양성자와 양성자를 충돌시키는 이 두 장치를 가지고 분석한 데이터를 바탕으로 힉스입자가 존재한다는 매우 높은 가능성을 찾아냈다고 밝힌 것이다.

CMS팀과 ATLAS 가동 연구팀은 2008년부터 둘레 길이가 27㎞에 이르는 LHC에서 양성자빔을 빛의 속도로 부딪혀 힉스가 생성되는 빅뱅 직후 1000만분의 1초 상황을 재현해 왔다.과학자들은 이 검출기 분석 결과를 토대로 힉스의 질량이 약 125∼126GeV(기가전자볼트·1GeV는 10억 eV)일 것으로 예상했다. 이는 물리학계에서 힉스 입자가 존재할 것이라고 추정한 영역에 포함되는 것으로 수소 원자 125개를 더한 질량과 비슷하다고 한다.

물리학자들은 자연계를 이루는 기본입자 12개와 이들 사이의 힘을 매개하는 입자(게이지 입자) 4개에 질량을 부여하는 역할을 하는 17번째 입자를 찾아왔다.

그리고 드디어 이 입자의 흔적을 매우 높은 확률로 확인함으로써 이제 이 입자를 찾았다는 선언을 하게 됐다.

■CERN과 LHC는?

댄 브라운의 소설 ‘천사와 악마’에도 등장한 CERN은 LHC에 모두 4개의 검출기를 설치해 양성자와 양성자가 충돌할 때 혹은 납이온과 납이온이 충돌할 때 각각의 검출기 특성에 따라 충돌사건의 결과를 기록한다.

가속기는 전체가 자기장 안에 들어있어야 하므로 사이클로트론이 커질수록 엄청나게 큰 자석이 필요하게 된다.

과학자들이 원자핵을 연구하기 위해서 높은 에너지의 입자를 원자에 충돌시켜서 반응을 보아야 한다.

LHC는 그러한 실험을 하고자 하는 과학자들이 필요로 하는 높은 에너지의 입자를 만들기 위해 입자를 반복적으로 가속하고 마침내 원형으로 입자를 가속시켜 주는 장치다.

1949년 프랑스 물리학자 빅토르 피에르 레몽 드 브로이 공작이 제안해 1957년 처음 건설을 시작했고 여러 가지 입자 가속기를 설치했다. 그는 ‘물질도 파동으로 볼수 있다’는 물질파 아이디어를 제시해 아인슈타인으로부터 극찬을 받은 과학자이기도 했다.1957년 최초의 가속기인 싱크로사이클로트론(SC)이 건설됐고 이어 양성자싱클로트론(PS)이 설치됐는데 PS는 오늘날도 가동되고 있다. 1971년 CERN은 ISR(Intersecting Storage Ring· 교차저장링)을 통해 세계최초로 양성자와 양성자간 충돌을 일으켰다. 다음으로 설치된 것은 슈퍼양성자싱크로트론(SPS)으로 W보손과 Z보손같은 입자를 찾아내는 개가를 올렸다.

하지만 처음부터 오늘 날의 LHC시스템이 구축된 것은 아니었다.

CERN은 1957년부터 가속기 구축을 위한 공사를 시작했다. 1988년 오늘 날 같은 스위스 레만호 서쪽 국경과 프랑스 국경을 넘나드는 곳에 원형으로 27km에 달하는 지역의 지하 100m터널이 굴착되기 시작했다. 2000년까지 가동된 LEP(Large Electron Positron Collider)로 불리는 전자-양전자 충돌기를 설치하기 위해서 굴착공사가 시작됐다. CERN은 2008년에 오늘날의 LHC체제를 구축했다. 기존 터널을 그대로 이용했다. 터널 폭은 약 4미터, 높이는 3미터 정도다. 지름 5cm정도의 빔파이프안에서 양성자덩어리들이 충돌하게 된다. 이 LHC 구축 비용만도 100억달러가 든 것으로 추산된다.

CERN은 유럽 20개 회원국에 의해 운영되는데 그 외의 비유럽 국가들도 여러방식으로 참가하고 있다.

지금까지 CERN이 세운 가장 위대한 업적은 1983년 방사능 원자핵의 베타붕괴 때 생기는 밀고 당기는 힘인 약력 작용을 일으키는 입자(W보손,Z보손)를 발견한 것이다. 물론 이 입자를 발견한 카를로 루비아와 시몬 반데르 메르는 1984년 노벨 물리학상을 수상했다.

이처럼 신의 입자를 찾기 위해 가동되는 LHC를 구축하기 위해서는 상당히 정밀한 첨단기술이 사용될 것은 당연한 이히다.

무엇보다도 이 장치 내부는 극히 높은 수준의 초고진공 상태를 유지해야 한다.

양성자끼리 충돌시키려다 산소나 질소를 만나면 충돌효과가 교란되기 때문이다. 양성자가 탁구공 크기만하다면 산소나 질소원자는 여의도만한 크기다. 따라서 이 두물질이 충돌한다면 얼마나 큰 혼란을 가져오게 될지 알 수 있다.

입자가 링을 따라서 배치된 가속기를 통과할 때마다 전기장을 정확한 타이밍에 맞춰 걸어주면 입자를 더욱더 빠르게 가속할 수 있다. LHC에 있는 총 9300개의 전자석이 입자의 움직임을 제어하게 된다.

■지구 최대의 초저온 냉장고에서 얻어내는 우주 창조의 비밀

LHC에 사용되는 첨단 기술에는 초고진공 기술만 있는 게 아니다. 초저온, 초고속전산처리 기술도 빼놓을 수 없다.

가장 주목받은 것은 지구최대의 초저온 냉장고이자 지구상에서 가장 큰 기계라는 점이다.LHC가 지구 최대의 냉장고가 될 수 밖에 없는 이유는 입자가속에 필요한 엄청난 에너지를 손실없이, 기계손상없이 만들어 내기 위해서다.

이 LHC에서 전자석 가동은 다양한 입자 충돌을 통해 새로운 입자의 흔적을 발견하기 위한 가장 중요한 작업이다. LHC가 가동되는 동안 전자석들은 70톤에 달하는 1.9켈빈온도의 액체헬륨안에 담겨 작동하게 된다.

이처럼 냉각된 초전도자석은 전기저항이 0인 상태에서 쌍극자 전자석에 흐르는 전류는 1만7천암페어에 이른다. 이에따라 8.3테슬라의 자기장이 생긴다. 일반가정의 전류 최대치가 100암페어임에 비하면 그 힘을 알 수 있다.초전도상태가 아니라면 가속기에 사용되는 전자석의 코일이 녹아버리거나 파괴돼 버리게 된다.

CERN은 양성자를 만들기 위해 수소 원자에 강한 자기장을 걸어 주어서 전자를 떼어낸다. 분리된 전자와 양성자는 전하를 가지고 있으므로 전기장과 자기장으로 조종할 수 있다.

LHC에 들어온 빔은 20분간 회전하면서 가속되어 최고 7테라볼트의 에너지를 갖게 된다.

이강영 건국대교수는 LHC 안에서 양성자 빔의 에너지가 충돌하면 TNT폭탄 약 100kg과 맞먹는 에너지, 즉 달리는 달리는 KTX의 에너지와 맞먹는 힘이 발생한다고 설명한다.

이런 LHC를 가동을 위해 필요한 에너지의 대부분은 초전도 전자석에 사용되는데 전기사용량은 약 120메가와트로 예상된다.

LHC에는 초고속 전산처리 기술도 빠뜨릴 수 없다. LHC에서 얻어지는 데이터양이 워낙 많아 보통 컴퓨터와 시스템만으로는 감당할 수 없기 때문이다.LHC에서는 각 검출기에서 양성자 빔뭉치가 초당 약 3천만번씩 충돌한다. 빔 뭉치가 한 번 충돌할 때 양성자 -양성자 충돌은 약 20회 정도 일어나므로 1초에 6억회이상의 양성자 양성자 충돌이 일어난다. 양성자가 충돌하면 수백개의 입자가 튀어나와 검출기 속으로 들어간다.

양성자들이 충돌하면 이를 구성하고 있는 수 백개의 입자가 튀어나와 검출기 속으로 들어가고, 각각의 입자들은 궤적 검출기 속을 지나간 흔적을, 그리고 에너지 검출기들 속에 전달한 에너지 궤적을 각각 남긴다.

검출기에 남은 흔적은 전기적 신호로 바뀌어 기록된다. 이 가운데 0.001%의 데이터만을 사용하는 데만도 10페타(1경)바이트 정도, 즉 CD롬 1500만장 정도의 스토리지 용량을 필요로 한다.

이를 분석하기 위해 CERN은 전세계 물리학자들의 컴퓨터를 연결하는 그리드 컴퓨팅을 이용해 데이터를 분석하게 된다.

■힉스 입자 발견 실험을 하다가 블랙홀을 만든다?

지난 2008년 수천 기가볼트의 LHC가 처음 가동될 때 하와이, 인도 등 전세계에서 이 입자가속기로 인해 블랙홀이 발생해 지구를 멸망시킬 것이라며 LHC의 가동중단 및 중단 소송까지 하는 소동이 벌어졌다.

가속기에서 두 입자가 아주 높은 에너지로 충돌하게 되면 두 입자 사이의 시공간에 블랙홀이 만들어질 수 있다는 주장은 미국의 물리학자가 처음 제기했다. 일부 학자들이 이 LHC가동에 따른 미니 블랙홀 발생으로 엄청나게 높은 에너지가 아주 작은 시공간을 아주 심하게 휘게 한다고 주장했다.

CERN은 실제로 이 수천 기가전자볼트에서도 블랙홀이 만들어질 수 있지만 그렇게 블랙홀이 만들어지더라도 재난은 일어나지 않는다며 진화에 나섰다.

이유는 블랙홀이 에너지를 삼키기만 하는 게 아니라 뿜어내기도 하는데 차츰 크기가 줄어들어 증발하게 되기 때문이라는 것. LHC에서 발생하는 블랙홀같이 규모가 작은 블랙홀이라면 증발 속도는 더 빠르다. 결국 입자 차원의 초소형 블랙홀은 만들어지자마자 증발해 버린다는 설명이다.

과학자들의 양자역학적 계산에 따르면 그렇게 생성된 블랙홀의 수명은 10의 마이너스 27제곱 초에 지나지 않는다.