d라이브러리 2013년 11월 과학동아

길고 긴 길을 왔다. 올해 노벨 물리학상은 지난해 과학계 최고의 화제였던 ‘힉스 입자’와 관련된 이론물리학자 두 명에게 돌아갔다. 벨기에 브뤼셀자유대 프랑수아 앙글레르 교수와 영국 에든버러대 피터 힉스 교수는 ‘인류가 만든 가장 정교한 이론’이라고 불리는 ‘입자물리학의 표준모형’의 핵심 원리 중 하나인 ‘힉스 메커니즘’을 처음으로 제시한 공로로 상을 받았다. 노벨위원회가 공식적으로 밝힌 두 사람의 업적은 “아원자 입자의 질량의 근원을 이해할 수 있는 메커니즘을 이론적으로 발견했다”다. 이들이 처음 주창한 힉스 메커니즘과 그 부산물인 힉스 입자는 우주에 존재하는 입자 대부분이 어떻게 질량을 갖는지를 설명할 수 있어 우주의 비밀에 접근할 수 있는 중요한 이론으로 평가 받아왔다.

이번 수상은 지난해 7월 유럽입자물리연구소(CERN)가 거대강 입자가속기(LHC)를 이용해 했던 고에너지 입자 충돌 실험이 중요한 역할을 했다. 각각 4000여 명의 다국적 과학자로 구성된 연구그룹인 CMS와 아틀라스(ATLAS)는 앙글레르와 힉스 교수의 이론이 옳을 경우 반드시 나와야만 하는 입자(힉스 입자)를 실제로 관측하는 데 성공했다. 이로써 힉스 메커니즘은 엄연한 사실로, 힉스 입자는 표준모형의 17번째이자 마지막 기본 입자로 인정을 받았다. 이 때문에 올해 노벨 물리학상은 힉스와 관련한 과학자들이 받을 것이라고 예측하는 학자들이 많았다.

이번 수상은 노벨상의 ‘잃어버린 고리(미싱 링크)’를 연결한 사건이다. 힉스 메커니즘이 등장하기 직전의 중요한 입자물리학 이론(자발적 대칭성 깨짐)과 힉스 메커니즘을 이용해 완성한 물리학 이론(전자기-약작용과 표준모형)이 모두 노벨상을 받은 상태에서, 핵심 연결고리인 힉스 메커니즘만 상을 받지 못했기 때문이다.

하지만 워낙 어려운 이론이어서 여전히 힉스 메커니즘과 힉스 입자에 대해서는 잘못 알려진 내용이 많다. 대중이나 일반 언론은 말할 것도 없고, 전문가나 심지어 미국의 뉴욕타임스 같은 세계적인 매체도 마찬가지다. 힉스 이슈를 꾸준히 추적해온 과학동아가 힉스에 대한 5가지 오해를 날카롭게 짚어봤다.

오해 1 | 힉스 입자가 물질에 질량을 준다?

힉스 입자가 질량을 준다는 표현은 가장 널리 퍼진 오해다. 이 말은 완전히 잘못이다. 입자의 질량은 힉스 메커니즘에 의해 생기며, 힉스 입자는 질량을 주는 것과는 관련이 별로 없다. 힉스 입자는 힉스 메커니즘이 일어난 뒤 생겨나는 부산물일 뿐이다.

구체적으로 살펴보자. 힉스 메커니즘을 통해 입자가 질량을 얻는 과정은 두 가지가 있다. 먼저 약한 상호작용을 전달하는 W입자와 Z입자는 원래 질량이 없는 상태에서 질량이 있는 상태로 변한다. 원래 질량에 해당하는 성질이 없던 W입자와 Z입자에게 질량에 해당하는 성질을 추가로 더해 주는 방식으로, 힉스 메커니즘의 응용이다(과학동아 2012년 8월호 기획 ‘힉스 A to Z’ 참조).

물질을 이루는 나머지 입자는 힉스 메커니즘의 또다른 과정에 따라 나타난다. 먼저 힉스 메커니즘의 결과로 공간의 상태가 독특하게 변한다. 이 변화는 공간이 텅 비어 있어도 뭔가 꽉 차 있는 것처럼 만든다(그렇다고 입자가 들어 있는 것은 아니다. 뉴욕타임스 등 세계적인 매체도 이 부분을 오해해 우주를 힉스 입자의 바다로 묘사하는 경우가 많다). 공간의 변화는 모든 입자에게 똑같이 미치는데, 여기에 힉스 입자와 물질 입자가 상호작용하면서 그 정도에 따라 입자는 고유의 질량을 갖게 된다.

이 때 중요한 것은 공간의 변화이지 힉스 입자와의 상호작용이 아니다. 공간의 변화가 없으면 힉스 입자와 아무리 상호작용을 크게 해도 그 입자는 질량을 가질 수 없기 때문이다. 입자에게 질량을 주는 것은 힉스 입자가 아니라 힉스 메커니즘이라는 사실이 다시 한번 드러난다.

힉스 입자를 소개하는 일부 글에서는 힉스 메커니즘으로 생긴 공간의 상태 변화량을 가리켜서 ‘힉스장(field)’이라고도 표현한다. 양자장론에 따르면 장은 곧 입자이기 때문에 우주에 퍼진 힉스장은 곧 힉스 입자의 바다로 묘사되기도 한다. 그리고 이런 묘사에서 입자는 힉스의 바다를 힘겹게 통과하며 질량을 얻는다고 설명한다.

앞서 말했듯 이것은 오류다. 공간에 힉스 입자가 차 있는 게 아니라 힉스 메커니즘을 통해 공간의 상태가 변했을 뿐이다. 힉스 입자가 관여한 부분은 상호작용을 달리 해 질량의 크기를 결정해주는 부분뿐이다. 참고로 힉스와 관련된 일부 글이나 노벨위원회의 설명에서는 ‘진공 기대값’이라는 말이 나오는데, 진공 상태에서도 공간에 0이 아닌 어떤 상태가 존재한다는 뜻으로 위에 설명한 공간의 변화량을 의미하는 말이다.

힉스 입자는 이 과정을 거친 뒤에도 남아 있는 독립된 입자다. 달리 이야기하면 힉스 입자는 힉스 메커니즘의 흔적 또는 부산물이다. 이 흔적을 통해 우리는 우주가 질량을 얻는 과정(힉스 메커니즘)이 실제로 작동하고 있다는 사실을 확인할 수 있다. 그래서 힉스 입자를 발견하는 것이 중요했다. 우리는 힉스 입자라는 그림자를 보고 본체를 확인한 것이다.

오해 2 | 수상자들이 궁극의 ‘질량 공식’을 완성했다?

이번 노벨상을 두고 “우주가 질량을 얻는 과정을 밝혀냈다”거나 “질량을 주는 입자를 이론적으로 예측했다”고 설명하는 글이 많지만, 이 역시 엄밀하게는 틀렸다. 힉스 메커니즘을 통해 입자가 질량을 얻는 과정의 전체가 앙글레르와 힉스 교수의 논문으로 완성된 것이 아니기 때문이다. 힉스 교수의 미국물리학회지 논문은 두 장이 채 안되고, 앙글레르 교수의 논문도 두 장이 갓 넘을 정도로 짧다. 이 안에 우주 질량의 비밀이 한번에 풀렸을 리는 없다.

힉스 메커니즘을 통해 약한 상호작용의 입자(W+, W-, Z)가 질량을 얻는 구체적인 전체 과정은 3년 뒤 스티븐 와인버그 등 다른 물리학자들이 완성했다. 위대한 표준모형은 전체적인 얼개를 갖췄고, 자연에 존재하는 네 가지 힘 중 두 가지를 통합할 수 있었다. 이 연구로 와인버그는 1979년에 일찌감치 노벨 물리학상을 탔다. 결국 앙글레르와 힉스 교수는 우주 질량의 근원을 완전히 밝힌 것이 아니라 가장 중요한 디딤돌을 세웠다는 게 정확한 평가다.

그런데 힉스 교수의 논문에도 이를 예측한 듯한 언급이 보인다.

“(약한 상호작용과 관련이 있을 것으로 추정되는) 메커니즘을 하나 더 거친다면, … 이런 게이지 장 중 하나는 질량을 지닐 것이다. (그래서) 광자만이 유일한 벡터 입자(스핀이 1인 입자)로 남을 것이다.” 질량을 지니는 약한 상호작용의 입자와, 질량이 없는 전자기력의 입자(광자)가 동시에 존재한다는 대목이다. 표준모형의 핵심이 예측돼 있다. 힉스 메커니즘은 역시 표준 모형의 핵심이었다.

오해 3 | 앞으로 쏟아져 나올 노벨상이 많다?

가장 핵심인 이론이라서 가장 먼저 노벨상을 받았고 이후 관련해 많은 상이 쏟아질 것 같지만, 그럴지는 미지수다. 무엇보다 관련한 이론 가운데 먼저 받은 게 아니다. 오히려 아주 늦게 받았다(그래서 위에 ‘노벨상의 잃어버린 고리’라고 표현했다). 길고 복잡한 힉스 메커니즘 연구 분야에서 앙글레르와 힉스 교수의 업적은 정확히 어느 부분인지 알아보자. 이를 위해서는 먼저 몇 가지 용어와 사전 지식을 알아야 한다.

첫 번째는 게이지 대칭성이다. 자연은 대칭을 좋아하며 우주의 움직임과 구성 원리를 다루는 물리학 역시 대칭성을 좋아한다. 게이지 대칭성은 자연계에 존재하는 무수한 대칭 중 하나인데, 표준모형이 기초를 두고 있는 입자물리학 이론인 양자장론(양자역학과 특수상 대성이론을 결합한 것)에서는 게이지 대칭이 필수 조건이다.

그런데 게이지 대칭에는 중요한 모순이 있다. 게이지 대칭이 성립하면, 입자물리학에서 힘을 주고 받는 데 쓰이는 입자는 질량이 0이어야 한다. 광자가 대표적인 예로, 질량이 실제로 0이다. 그런데 핵안에서 작용하는 약한 상호작용이 문제였다. 이 힘은 아주 가까운 거리(핵 안에서만 영향이 있을 정도)에서만 힘을 발휘하는데, 이것은 약한 상호작용을 주고 받는 입자가 무겁다는 뜻이다. 마치 무거운 짐을 질수록 빨리 지쳐 먼 거리를 못 가는 것과 비슷하다.

이론상 질량이 0이어야 하는데 실제로는 질량이 크다니, 이 모순을 풀 방법이 있을까. 그냥은 불가능하고, 복잡한 과정을 거쳐야 한다. ‘자발적 대칭성 깨짐’이다.

자발적 대칭성 깨짐은 어려운 말이다. 쉽게 설명하면 ‘대칭을 깨지 않고도 대칭이 깨진 상태가 저절로 나타날 수 있다’는 내용이다. 물리학자들이 말장난을 하는 것 같지만 그렇지는 않다. 이론상 대칭이 분명히 있는데, 실제로 현실에 나타날 때는 대칭이 깨져 있을수 있기 때문이다. 대표적인 예가 자석이다. 자석은 자기장이 한 방향으로 정해져 있는데, 원래는 이렇지 않았다. 즉 에너지가 높은 상태에서는 자기장에 방향성이 전혀 없는 ‘방향에 대해 대칭인’ 상태였다. 이론상으로도 자기장이 한 방향을 가질 이유는 전혀 없다. 하지만 에너지가 낮아지면서 방향이 한 방향으로 결정되고(어느 방향인지는 무작위다), 자석은 방향성(자성)을 갖게 된다. 자석의 이론적인면은 대칭성이 있지만, 실제로 현실에서 만나는 자석은 대칭성이 깨진 상태인 셈이다.

자석의 예를 든 것은 물리학자들이 자주 예로 들어서기도 하지만, 더 중요한 이유가 있다. 실제로 자발적 대칭성 깨짐 개념이 1920년대에 자석을 연구한 재료 물리학에서 처음 나왔기 때문이다. 하지만 1960년, 미국 시카고대 남부 요이치로 교수가 입자물리학에서도 이런 현상이 일어난다는 사실을 밝혔다. 남부 교수는 이 공으로 2008년 노벨 물리학상을 받았다.

눈치챈 사람도 있겠지만, 자발적 대칭성 깨짐을 도입한 이유는 바로 앞서 설명한 게이지 입자가 이론과 달리 실제로는 질량을 갖는다는 모순을 풀기 위해서다. 하지만 남부 교수가 모든 문제를 해결한 것은 아니다. ‘게이지 대칭성이 있는’ 입자물리학의 영역에서 어떻게 자발적 대칭성 깨짐이 일어날지 추가로 설명해야 했는데, 그게 바로 1964년 앙글레르와 힉스 교수가 각각 발표한 논문의 내용이다. 두 논문은 제목도 거의 비슷한데, 힉스 교수의 논문 제목만 봐도 내용을 즉각 알 수 있다. ‘깨진 대칭성과 게이지 보존(입자)의 질량’이다. 자발적 대칭성 깨짐으로 게이지 입자가 질량을 얻게 되는 메커니즘을 밝혔다는 ‘핵심’이 그대로 드러나 있다.

다시 오해로 돌아와서, 이렇게 자발적 대칭성 깨짐과 표준모형은 모두 노벨상을 받았다. 하지만 두 이론의 핵심 연결 고리인 힉스 메커니즘 자체는 수상하지 못하고 때를 기다려야 했다. 증거가 필요했기 때문이었다. 힉스 메커니즘의 지울 수 없는 흔적, 힉스 입자다.

다행히 ‘신도 저주할 정도로’ 찾기 어려웠던 힉스 입자는 작년 여름 길고 긴 은둔을 끝내고 모습을 드러냈고, 노벨위원회는 즉각 노벨 물리학상 수상자로 두 명의 연구자를 선정했다. 이번 상은 현대 물리학의 금자탑인 표준모형의 잃어버린 고리를 연결해준 상인 동시에, 노벨 물리학상의 잃어버린 고리를 꿰어낸 상이었다.

오해 4 | 힉스 교수가 가장 처음 발견했다?

앙글레르와 힉스 교수의 연구는 약간의 시차를 두고 발표됐다. 유명세 때문에 힉스 교수가 먼저 발표했을 것 같지만, 사실은 반대다. 그것도 거의 두 달이나 늦었다. 논문이 투고된 날짜와 게재된 날짜를 보면, 공교롭게도 앙글레르 교수가 보낸 논문이 미국물리학회지에 게재된 바로 그 날 힉스 교수가 같은 곳에 논문을 투고했음을 알 수 있다.

물론 이 말은 힉스 교수가 앙글레르 교수의 연구를 보지 않고 연구를 독립적으로 했다는 뜻이며, 편집자가 넣은 것으로 보이는 논문 주석에도 이 사실이 언급돼 있다. 하지만 두 달이나 늦었는데 어떻게 연구 성과를 같이 인정 받고 노벨상을 공동으로 수상할 수 있을까. 더구나 이들의 메커니즘과 입자에는 ‘2등’인 힉스 교수의 이름이 붙어 있게 된 걸까.

결론부터 말하자면, 이 입자에 힉스 교수의 이름이 붙은 것은 아주 틀린 것은 아니다. 이들이 밝혀낸 메커니즘은 같았지만, 힉스 교수의 논문에는 앙글레르 교수가 표현하지 못한 내용이 하나 더 있었기 때문이다. 바로 힉스 입자의 존재다. 이 내용을 힉스 교수의 논문에서 직접 인용해보면 이렇다. “방정식 2b는 벡터 파동(장 또는 입자를 의미)이 질량을 가진다는 사실을 알려준다.”

양자장론에 따르면, 장이 있다면 곧 해당하는 입자가 있다. 힉스 교수의 논문은 질량을 지니는 새로운 장의 존재를 예상하고 있고, 이것은 곧 새로운 입자가 존재한다는 뜻이다. 이것이 바로 질량을 가지고 스핀이 0인 입자, 즉 힉스 입자다. 이 입자는 힉스 교수만의 고유한 업적이 맞고, 따라서 이 입자에 그의 이름이 붙는 것은 어느 정도 타당하다. 참고로 ‘힉스 입자’ 라는 이름이 붙은 계기로는 세계적인 입자물리학자였던 고 이휘소 박사가 처음 써서라는 설이 유력하다.

오해 5 | 힉스 입자는 하나다?

올해 4월 말 방한한 롤프-디터 호이어 CERN 소장은 과학동아와의 인터뷰에서 “이번에 발견한 힉스 입자가 유일한 힉스일지, 여러 힉스 중 하나일지 밝혀내야 한다”며 “표준모형의 완성으로 입자물리학자들이 할 일이 없어진 것은 절대 아니다”라고 강조했다(2013년 6월호 인터뷰 참조). 기껏 힉스 입자를 발견했다고 해놓고, 다시 발견하지 못한 다른 힉스 입자가 여러 개나 있을지도 모른다니 이건 또 무슨 말일까.

표준모형은 인류가 고안해낸 가장 정교하고 성공적인 이론으로 평가 받는다. 이번에 힉스 입자의 발견으로 그 사실은 다시 한번 입증됐다. 하지만 아직 자연계의 모든 현상을 설명하지 못한다. 대표적으로 4대 힘 중 하나인 중력은 전혀 설명하지 못한다.

이런 한계 때문에 많은 학자들은 표준모형을 확장한 더 큰 이론을 동시에 연구 중이다. 예를 들어 우주에 눈에 보이지 않는 추상적인 대칭이 있다는 ‘초대칭이론’이 있다. 그런데 초대칭이론에서는 힉스 입자가 하나가 아니라 여럿 존재한다. 힉스 입자가 하나인지 아니면 여럿 존재하는지를 밝히면 초대칭이론이 사실인지 밝힐 수 있다.

초대칭이론이 사실인지 여부를 밝히면 물리학은 전혀 새로운 세계에 돌입한다. 우선 초대칭이론은 중력을 설명할 수 있다. 표준모형에는 없는 ‘중력자’라는 입자가 있어서 중력을 주고 받게 해주기 때문이다.

또 우주를 구성하는 물질보다 5배나 많지만 전혀 관측이 되지 않는 ‘암흑물질’의 후보 물질도 확 늘어난다. 초대칭이론은 표준모형의 입자와 중력자가 모두 대칭적인 짝 입자를 갖고 있다고 보는데, 이 가상입자들은 대부분 관측이 어렵다. 이런 성질이 암흑물질과 비슷하기 때문에 이 중에 암흑물질이 있다고 보는 것이다. CERN 역시 암흑물질이 힉스 입자 다음으로 도전할 과제라고 생각해서 지난해 7월 힉스 입자 관측 발표와 동시에 암흑물질 탐색 계획을 발표했다. 호이어 소장도 인터뷰에서 “암흑물질 관측을 위해 20년 동안 실험기기의 성능을 높일 예정”이라고 말했다.

눈에 보이지도 않고 만질 수도 없는 입자를 찾기 위해 수십 년을 보내 온 물리학자들은, 이제는 보이지도 않고 만질 수도 없으며 어쩌면 기존에 알고 있던 이론 자체를 뒤흔들지도 모를 새로운 입자로 눈을 돌리고 있다. 힉스 입자의 발견은 이론의 완성이나, 험난하고 지난한 탐험 끝에 찾아온 안락하고 행복한 만족감과 거리가 멀다. 어쩌면 새로운 파괴일지도 모른다. 그래도 물리학자들은 탐색과 상상을 멈추지 않을 것이다. 힉스 입자는 발견됐지만, 제2, 제3의 힉스 입자가 존재할지도 모르기에.

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PART 1. 물리학상 - 힉스에 대한 치명적인 오해5