질량 부여 ‘신의 입자’로 불려… 유럽입자연구소 “발견 가능성”
현대물리학의 핵심 이론이 증명될까, 아니면 새로운 물리학 교과서를 준비해야 할까. 현대물리학에서
우주 만물의 질량 기원으로 꼽히는 ‘힉스(Higgs) 입자’의 발견 가능성이 높아지면서 세계 물리학계의
기대가 커지고 있다.
스위스 제네바 소재 유럽입자물리연구소(CERN)는 13일 밤 “거대강입자가속기(LHC)에서 양성자를
충돌시킨 결과 125GeV(기가전자볼트) 영역에서 힉스 입자가 존재할 가능성을 찾았다”고 발표했다.
이번 실험결과가 힉스를 ‘발견했다’고 선언할 정도는 아니라고 연구소는 선을 그었다.
그러나 힉스 입자가 존재할 수 있는 영역을 과거보다 훨씬 좁혔기 때문에 발견 가능성은 훨씬 높아
졌다고 물리학자들은 설명했다.
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가장 중요한 과제는 실험의 신뢰도를 높이는 일이다. 연구소가 이번에 밝힌 실험의 신뢰도는 95%다.
125GeV 영역에 힉스 입자가 존재하는 것이 95%의 확률로 확인됐다는 의미다. 그러나 물리학에서
‘발견’이라고 하면 통계적으로 존재 확률이 99.99994% 이상이어야 한다. 이번 발표 수치는 여기에는
한참 모자란다.
연구소는 신뢰도를 높이기 위해 내년까지 실험을 계속한다. 거대강입자가속기는 내년에 본격적으로
가동되는 기간이 올해보다 길어 재료정보량이 올해의 약 4배에 달할 것으로 예상된다. 이 정도의 데
이터를 쌓으면 통계적으로 99.99994%의 신뢰도를 얻을 수 있다고 한다.
현대물리학의 근간을 이루는 ‘표준모형’의 중요개념인 힉스 입자는 아직 실험적으로 발견되지 않았다.
힉스 입자가 발견되지 않았기 때문에 현대물리학도 미완성 상태다. 만약 유럽입자물리연구소가 힉스
입자를 발견하지 못하면 표준모형도 위기에 빠지게 된다. 핵심적인 요소가 빠진 채로 이론이 생명력을
이어가기는 어렵기 때문이다.
힉스 입자는 어떻게 찾을까. 거대강입자가속기에서 양성자 두 개를 빛의 속도에 가깝게 가속한 뒤
충돌시킨다. 빅뱅 직후 1000만분의 1초 상황을 재현하는 것이다. 양성자가 충돌하면 뮤온, 전자, 기타
입자 등이 방출된다. 가속기에 부착된 CMS와 아틀라스(ATLAS)라는 검출기는 이 물질의 에너지양을
측정해 힉스 입자의 존재 여부를 역추적한다. 연구팀은 힉스 입자가 115~130GeV의 에너지 영역에서
존재할 것으로 추측하고 있다. 이는 종전 힉스 입자 존재구간이 114~140GeV로 추정됐던 것에 비하면
많이 좁혀진 것이다.
서울시립대 물리학과 박인규 교수는 “힉스 입자 검출기인 아틀라스와 CMS에서 분석해낸 힉스 입자
존재영역이 지금은 약간 다르다. 하지만 앞으로 분석과정을 거치면 궁극적으로 일치하게 될 것”이라
며 “일치하게 되면 그 구간에 바로 힉스가 존재할 가능성이 높다”고 말했다. 현재 아틀라스가 예상한
힉스 존재구간은 116~130GeV이고, CMS가 분석한 구간은 115~127GeV다. 물리학자들은 검출기의
예측구간이 겹치는 구간 중 125GeV 영역에 힉스입자가 존재할 가능성이 높다고 보고 있다.
만약 내년에도 힉스 입자가 발견되지 않으면 어떻게 될까. 힉스 입자가 없다고 결론을 내리거나, 아니
면 에너지 범위를 더욱 넓혀서 재실험을 할 수도 있다. 그러나 에너지 범위를 600GeV 이상으로 높이
려면 천문학적인 비용이 투입돼야 하는 만큼 그 가능성은 미지수다.
“우리가 사는 세상은 무엇으로 만들어졌을까”라는 질문에 대한 답으로 물리학자들이 만든 모형
이다. 강력(원자핵을 끌어당기는 힘)을 느끼지 못하는 경입자 3쌍, 강력도 함께 느끼는 쿼크 3쌍, 중력
과 전자기력·약력을 매개하는 기타 입자들이 세상을 이룬다는 이론체계다. 지난 40여년간 물리학의
검증을 거치면서 가장 신뢰도 높은 이론체계로 인정받고 있다. 그러나 표준모형의 마지막 퍼즐 조각인
힉스 입자가 실험을 통해 관측되지 않았다. 힉스가 발견돼야 표준모형이 완성된다.
▲ 힉스 입자
표준모형에서 빅뱅 직후 우주에 등장한 기본 입자들에 질량을 부여한 입자다. 입자들의 크기가 같은
데도 질량이 다른 이유는 힉스 입자가 각각의 입자에 다른 질량을 부여했기 때문이다. 힉스 입자는
빅뱅 직후 잠시 등장했다 사라진 것으로 추정된다. 아직 현대물리학에서 이론상으로만 존재할 뿐
실험을 통해 관측되지는 않았다. 1964년 힉스 입자와 관련한 가설을 처음 제시한 영국의 피터 웨어
힉스 교수의 이름을 따 명명했다.
▲ 뮤온
원자를 구성하는 아주 작은 입자를 말한다. 강력(원자핵을 끌어당기는 힘)을 느끼지 못해 경입자의
한 종류로 분류된다.