[주제칼럼🖋] '신의 입자' 힉스와 입자물리 표준모형

과학과 신학의 대화

2023-07-17

1. 기본입자와 표준모형

물질을 잘게 쪼개다 보면 ‘더 이상 쪼갤 수 없다'라는 뜻을 가진 ‘원자(atom)'에 이르게 된다. 그런데 현대물리학의 발견에 따르면 원자는 더 이상 쪼갤 수 없는 궁극의 기본 구조가 아니다. 원자를 쪼개면 원자핵과 전자로 나눌 수 있고 원자핵을 다시 쪼개어 보니 양성자와 중성자로 이루어져 있음을 알게 되었다. 양성자의 존재를 알게 된 후 수십 년 동안 양성자는 물질을 이루는 궁극의 기본 입자로 생각되었으나 1960년대에 이르러 양성자도 쿼크라는 기본 구조로 이루어져 있음이 입자 충돌 실험의 결과로 알려지게 되었다. 입자물리의 표준모형은 자연계에 존재하는 물질들이 기본입자들로 구성되어 있다고 설명한다.¹⁾

1) 입자물리는 자연을 환원론으로 설명하는 면이 분명히 있다. 그러나 이것이 입자물리를 알면 자연의 모든 것을 알 수 있음을 의미하지는 않는다. 매우 많은 수의 단위 개체들이 모인 집합체에서 전혀 기대하지 못했던 새로운 현상들이 나타나는 ‘창발적(emergent)' 현상들이 얼마든지 생길 수 있기 때문이다. 일례로 양자역학을 이용해서 물 분자 한 개의 성질을 아무리 치밀하게 연구하더라도 그것만으로는 태풍을 설명할 수 없는 것이다

원자 모형의 변천과정(출처:금성출판사)

표준모형은 자연계를 이루는 물질의 가장 기본적인 구조를 기본입자들과 그들 간의 상호작용으로 설명한다. 아래 그림은 표준모형을 구성하는 기본입자들을 모아놓은 것이다. 표준모형에 담긴 기본입자는 그 입자가 지니는 스핀(spin) 값에 따라 다음과 같이 구분된다:

페르미온(fermion) -- 스핀 값이 ℏ/2인 입자들이며 전자, 중성미자, 쿼크 등이 이에 해당한다 (그림에서 보라색과 초록색으로 표시된 입자들). 모든 원자들은 양성자와 중성자와 전자로 이루어져 있는데 양성자와 중성자는 쿼크들의 결합체이다. 그런 의미에서 자연을 이루는 물질들은 페르미온들로 구성되어 있다고 할 수 있다.

보손(boson) -- 스핀 값이 0 혹은 1ℏ인 입자들이며 광자가 대표적인 스핀 값이 1ℏ인 보손이다. 표준모형에서는 광자 외에도 , W, Z 그리고 글루온(g)들이 광자와 같이 스핀 1ℏ인 보손이다 (그림에서 빨간색으로 표시된 입자들). 이러한 보손들은 기본입자 페르미온들 간의 상호작용을 매개하는 역할을 한다. 광자(γ)는 전자기력을 매개하는 보손이며, W와 Z는 약한 상호작용을 매개하는 입자, 그리고 글루온은 강한 상호작용의 매개 입자이다.

힉스(Higgs) 입자 -- 힉스 입자(그림에서 노란색으로 표시됨)도 보손에 속한다. 그런데 다른 보손들 과는 다르게 스핀 값이 0이다. 스핀 값이 $0$인 입자를 스칼라 입자라고 부른다.

입자물리의 표준모형

현재까지 실험으로 알려진 바에 따르면, 자연에는 다음과 같은 4가지 기본 상호작용이 있다: 중력, 전자기력, 강한 핵력 (또는 ‘강한 상호작용'), 약한 핵력 (또는 ‘약한 상호작용'). 이러한 힘들에 관한 자세한 내용을 다루기엔 지면이 너무 부족하기에 다만 아래 두 가지 특기할 사항만 간략히 언급하고자 한다.

중력의 세기는 다른 세 가지 상호작용에 비해 매우 작다. 게다가 다른 세 가지 상호작용이 양자물리와 상대론의 원리 안에서 게이지 대칭성을 이용하여 일관된 체계로 설명할 수 있는데 반해 중력은 아직 양자물리의 원리에 맞게 설명하는 법을 모르고 있다. 이러한 이유로 표준모형에서는 중력은 다루지 않는다.

이전까지는 별개의 현상으로 알려져 있던 전기(electricity)와 자기(magnetism)는 1865년 맥스웰의 논문을 통해 하나의 통일된 현상으로 설명할 수 있음을 알게 되었고 이를 전자기(electromagnetism)라 부른다. 한편 1960년대 초반 입자물리의 표준모형이 확립되는 과정에서 전자기 상호작용과 약한 상호작용도 통일된 체계 안에서 설명할 수 있음이 입증되었다. 이 통합된 상호작용을 약전자기(electroweak) 상호작용이라 부른다.

자연에 존재하는 4가지 상호작용, 강력을 1로 봤을때 왼쪽에서 오른쪽으로 갈 수록 약해진다.

(출처:IBS 엑시온 및 극한상호작용 연구단)

2. 힉스(Higgs) 입자

힉스 입자는 1964년에 대칭성 깨짐을 통해 입자들의 상호작용을 설명하는 입자물리 표준모형이 만들어지는 과정에서 여러 이론 학자들에 의해 반드시 필요한 입자로 그 존재가 예측되었다. 이후 약 반세기 동안 힉스 입자를 실험에서 발견하지 못해 입자물리학자들의 애를 태우다가 마침내 2012년 7월에 유럽입자물리연구소(CERN)의 LHC 입자충돌기를 사용한 두 실험, CMS와 ATLAS에 의해 발견이 이루어졌다.

흔히 힉스 입자를 ‘신의 입자(God particle)'라는 별명으로 부른다. 이 별명은 미국 페르미 가속기연구소(FNAL) 소장을 지냈던 Leon Lederman 박사의 책 제목 ‘The God Particle'에서 유래한 것이다. 이 별명 때문에 일반인들은 힉스 입자에 대해 종교적 의미를 담는 오해를 품기도 한다. 그런데 Lederman의 이야기에 따르면 힉스 입자의 더 적절한 별명은 ‘the goddamn particle'이었어야 했다. 우리말로 하자면 ‘빌어먹을 입자' 정도일 것이다.

그 이유는 힉스 입자가 입자물리 표준모형에서 매우 중요한 역할을 함에도 불구하고 1960년대 초반에 예측된 이후 무려 50년 동안 발견되지 않은 채로 있었기 때문이다. 이를 발견하기 위해 수십 년간 엄청난 예산과 인력이 투입되는 과정에서 입자물리학자들이 가졌던 좌절감을 자조적으로 표현했던 것이라 하겠다. 그런데 Lederman이 이 책을 출판할 때 도저히 원래의 표현을 쓸 수는 없었다. 그래서 어쩔 수 없이, 좀 더 일반인에게 다가갈만한 순화된 표현으로, ‘God particle'이란 이름을 갖게 된 것이라 한다.

뮤온 중성미자를 발견하여 1988년 노벨물리학상을 받은 Leon Lederman(1922-2018) 교수(왼)

그의 책 The God(damn) Particle(오)

앞서 보인 그림에 나열된 17개의 입자들 중 광자를 제외한 모든 입자들은 질량을 가지고 있다.²⁾ 표준모형에서 힉스 입자의 가장 큰 역할은 모든 기본입자들이 질량을 갖도록 해주는 것이다. 단, 표준모형의 입자들 중 중성미자가 질량을 갖는 원리는 아직 명확히 밝혀지지는 않고 있으며, 표준모형의 다른 입자들과는 약간 다를 것으로 예측되고 있다. 이런 이유로 중성미자의 질량이 표준모형을 넘어서는 새로운 물리법칙을 찾는 돌파구를 마련할 수 있을 것으로 기대되고 있기도 하다.

2) 표준모형이 만들어지던 당시에는 중성미자들도 질량이 0이라 생각했다. 그러나, 현재 중성미자를 사용한 여러 실험 결과에 따르면 중성미자의 질량은 매우 작긴 하지만 0은 아니다.

수소 원자는 100여 종류의 원자들 중 가장 가벼우며 가장 기본적인 원자이다. 수소 원자에 관한 정확하고 정밀한 이해는 20세기에 들어 양자역학이 확립되면서 비로소 이루어졌다. 양자역학을 사용하여 수소 원자를 분석해 보면, 수소 원자의 대략적인 크기를 나타내는 물리량인 ‘보어 반지름'이 전자의 질량에 반비례한다. 그런데 이 전자의 질량 값이 힉스 입자와 전자의 상호작용에 의해 결정되는 것이다. 전자의 질량이 달라지면 원자들의 화학적 성질들이 그에 따라 변하게 된다. 힉스 입자가 우리 우주에 존재하는 원자들의 화학적 성질을 일정 부분 결정한다고 봐도 좋은 것이다.

3. 입자와 우주의 연결

20세기 현대물리학의 두 기둥 중 하나인 양자역학은 W. Heisenberg의 불확정성 원리(Uncertainty principle)에 기반을 둔 물리 이론이다. 이 원리를 아주 간략히 표현하면 어느 물리계의 위치와 운동량을 동시에 정확하게 측정할 수는 없다는 것이다. 구체적으로는 ∆x ∆p ≥ℏ/2 라는 식으로 표현된다. 여기서 ∆x는 위치 측정의 불확정성(이를 위치 측정 오차로 생각할 수도 있다)이고 ∆p는 운동량 측정의 불확정성이며, ℏ는 플랑크 상수라 부르는 값으로 국제표준단위계에서 10^-34 정도의 매우 작은 값을 갖는다.

일상의 거시적인 영역, 즉 뉴턴의 고전물리학이 잘 작동하는 영역에서는 ℏ가 상대적으로 무시할 만큼 매우 작은 값이기 때문에 위치 측정과 운동량 측정의 오차를 모두 0으로 만들 수 있다고 간주한다. 그러나 미시세계에서는 운동의 길이 혹은 운동량의 범위가 매우 작기 때문에 더는 를 무시할 수가 없다. 측정을 아주 정밀하게 하여 오차를 0으로 만들고 싶으면 필연적으로 운동량의 오차는 무한대가 된다. 즉 내가 관측하는 물리계의 운동량에 관한 정보를 완전히 잃어버리는 것이다. 반대로 운동량의 오차를 0으로 만들고자 한다면 필연적으로 위치에 관한 정보를 완전히 잃게 된다.

아인슈타인의 일반상대성 이론에 의하면 우주는 정적으로 멈추어 있지 않고 계속 팽창하거나 수축해야 한다. 우주가 시간이 흐름에 따라 점차 팽창하는 상황을 아인슈타인의 방정식에 맞추어 시간을 거꾸로 돌리면 우주는 한 점에서 시작하게 되는 특이점(singularity)이 나타나며 이것이 빅뱅(Big Bang)이다. 불확정성 원리로 보면 빅뱅의 순간에는 우주의 크기가 0이므로 위치의 불확정성도 0일 것이다. 그 상황에서 운동량(또는 에너지)의 불확정성은 무한대가 된다.

한편 입자물리학은 매우 작은 크기 스케일에서 물리계를 연구하는 학문이다. 수소 원자의 크기는 10^-10 m정도이고 양성자 하나의 크기는 대략 10^-15 m로 일상의 영역에서 보자면 매우 작은 값이라 할 수 있다. 이와 같이 작은 크기의 영역을 깨고 들어가 측정을 하려면, 불확정성 원리에 의해 관측하고자 하는 물리계에 매우 큰 운동량(또는 에너지)을 가하여야 한다. 자연스럽게 입자물리 연구에는 고에너지 가속기가 사용되는 이유이기도 하다. 입자물리학이 다루는 높은 에너지, 매우 작은 크기 스케일의 물리계는 빅뱅 직후에 마주할 매우 높은 에너지, 매우 작은 크기의 상태와 무관하지 않다. 이것이 입자물리학과 우주의 이해가 만나는 연결고리가 된다.

빅뱅이 왜 일어나는지에 관해서는 여러 가지 가설이 있는데 현재 물리학에서 유력하게 여기는 가설 중 하나가 인플레이션 가설이다. 인플레이션 가설에서는 맨 처음 양자 요동에 의해 초기 팽창이 나타난 직후 인플라톤이라 부르는 스칼라 입자에 의해 우주가 아주 짧은 시간에 아주 급격하게 팽창을 하는 ‘인플레이션'이 일어난다고 한다. 즉 우주의 초기 급팽창을 위해 모종의 스칼라 입자가 반드시 필요하다. 물론 이 스칼라 입자가 과연 무엇인지, 현재 우리 우주에서 관측할 수 있는 종류의 입자인지 등에 관해서는 알려진 바가 없다.

다만, 힉스 입자도 스칼라 입자의 성질을 가지고 있기 때문에 우주론을 연구하는 이론물리학자들 중에는 힉스 입자를 인플라톤으로 삼아 우주 급팽창을 설명하려는 연구들이 활발히 진행되고 있다. 힉스 입자가 인플레이션에 영향을 끼치는 입자임이 밝혀진다면, 힉스 입자에는 표준모형의 기본입자들에 질량을 부여하는 역할에 못지않은, 혹은 더 중요하다고 여겨질, 또 다른 역할이 주어진다고 볼 수 있을 것이다. 이에 관한 내용은 아직 결론이 나지 않은 상태이다.

4. 아직도 모르는 것들

입자물리의 표준모형은 1960년대 중반에 처음 제안된 이후 현재까지 반세기가 넘는 시간 동안, 중성미자의 질량에 관한 것만을 제외하고, 입자물리의 모든 측정값들을 정밀하게 계산하여 정량적으로 설명하는 매우 강력한 물리학 이론체계이다. 그러나 표준모형의 이러한 성공에도 불구하고 우리는 아직도 설명하지 못하는 여러 중요한 문제들을 안고 있다. 그중 특히 필자가 관심을 가지는 문제들은 우주의 1) 물질-반물질 대칭성 깨짐의 문제, 그리고 2) 암흑물질, 암흑에너지의 문제이다.

우주배경복사(cosmic microwave background, CMB)의 관측 결과에 따르면 우리 우주 전체의 에너지는 약 5%가 원자로 이루어진 보통 물질, 약 25%가 암흑물질, 그리고 나머지가 암흑에너지로 이루어져 있다. 우리가 물리, 화학, 생물, 지구과학 등에서 다루는 지식의 영역이 전체의 5% 부분에 불과하다는 것이다. 지난 수 세기 동안 인류의 치열한 자연과학 연구에도 불구하고 우리는 아직 우주의 95%를 모른다고 할 수 있다.

CMB를 발견한 R. Wilson(왼)과 A. Penzias(오) 이들은 1978년 노벨물리학상을 받았다.

CMB의 미세한 비등방성과 흑체복사 온도 분포 곡선을 최초로 측정한 COBE 실험을 이끈 J. Mather(왼)와 G. Smoot(오)은 2006년 노벨물리학상을 받았다.

인류가 비록 5%에 불과한 우주의 작은 영역에 관해 그나마 불완전한 지식을 가지고 있음에도 불과하고 이를 통해 자연과학과 기술 문명을 발전시키고 그 혜택을 누리고 있으며, 제한된 범위에서나마 하나님이 창조하신 광활한 우주에 관해 알아 가게 된 것, 그리고 우주 안에서 우리의 존재가 얼마나 미약한지, 우리가 발붙이고 살아가는 이 지구가 얼마나 작은 한 점에 불과하며, 그래서 얼마나 소중한지를 깨달을 수 있는 것은 오로지 하나님의 은혜라 할 것이다.

글 | 권영준

연세대학교 물리학과 교수로 있으며 과신대 자문위원으로 섬기고 있다.

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