힉스입자 발견, 사실일까?

 

힉스입자 발견, 사실일까?

힉스충돌 이미지는 힉스입자와 다른 입자가 뒤섞인 것

 

 

 

과학에서 가정을 세운다고 모두 이론이 되지 않는다. 측정 도구를 만들어 가정을 증명하든지, 존재가 있음을 보여줘야만 이론으로 인정받는다. 시각화도 증명의 한 방법이다. 자기장을 예로 들 수 있다. 눈에는 안 보이지만 자석 위에 흰 도화지를 놓고 철가루를 뿌리면 자기력선이 보인다. 눈으로 인지하는 과정을 통해 자기장의 존재가 증명되는 셈이다. 그럼 최근 물리학계의 최대 이슈인 힉스 입자는 과연 어떻게 그 존재를 입증한 것일까. CERN(유럽입자물 리연구소) 힉스 실험 연구 한국팀 책임자이자 서울시립대 물리학과 박인수 교수가 지난 16일 고등과학원 에서 열린 ‘이미지의 탄생, 힉스입자 시각화의 의미’라는 강의에서 이에 대한 해답을 내놓았다. 너무 빨리 움직여도 눈으로 인지할 수 없어 “봄으로써 존재를 확인하는 것은 맞지만, 실재를 확인하는 것은 아닙니다. 손으로 개 모양을 만들어 벽에 그림자를 비추게 되면, 무언가 존재한다는 것은 알 수 있지요. 하지만 그 무엇이 손인지 개인지 정확한 실재는 확인이 안 됩니다. 힉스입자도 현재 이와 같습니다.”   힉스입자를 인지하지 못하는 것은 너무 빨리 움직이기 때문이다.  ⓒiini0318 시각화란 우리에게 확장된 시각을 주는 틀이다. 그래서 일상적인 여러 이유에서 보이지 않는 것을 보이 게 만드는 것은 결국 새로운 존재를 인식하는 과정이라고 할 수 있다. 그러나 우리가 눈으로 물체를 인식 하지 못하는 경우도 많다. 왜일까. 이유는 세 가지로 나눠볼 수 있다. 첫 번째는 너무 크거나 작기 때문이다. 개미에게는 인간도 나무도 보이지 않는다. 너무 커서이다. 우리가 별을 본다고 하지만 우주공간이 어떻게 휘어졌는지 못 보는 이치와 같다. 두 번째는 상호작용을 하지 않아서 인식이 되지 않는다. 38억 년 후에 우리 은하와 충돌한다는 안드로 메다는 크기로만 본다면 이론적으로 우리 눈에 달보다 7배나 크게 보여야 정상이다. 하지만 너무 어두워 서 우리와 상호작용이 되지 않기 때문에 보이지 않는다고 할 수 있다. 세 번째는 힉스를 인지할 수 없는 이유와 관련 있다. 너무 순식간이기 때문에 아무 것도 보이지 않는다고 할 수 있다. 컵 속의 물을 예로 들어보자. 우리 눈에는 아무런 반응도 하지 않는 정지상태이다. 하지만 초고속 카메라로 들여다보면 증발현상으로 인해 엄청난 물방울이 튀어 오르고 있는 것을 확인할 수 있다. 힉스입자도 마찬가지라고 할 수 있다. “진공은 공간의 크기만 있는 것이라고 할 수 있습니다. 진공펌프로 모든 분자를 퍼낸 아크릴 박스에 1조 배 이상 빠른 카메라로 그 안을 찍으면 에너지가 물방울 튀듯이 움직입니다. 쉽게 설명하자면 아주 짧은 시간인 한순간 한순간을 컷으로 잘라서 보면 입자와 반입자로 가득 차 있다고 볼 수 있습니다. 현대과학 에서는 여기에 힉스입자장이 함께 있다고 보고 있습니다.” 힉스 증명방법 원리 어렵지 않아 힉스입자의 존재 가능성에 대한 증명 방법의 원리는 생각보다 어렵지 않다. 잔잔한 호수에 돌을 던지는 방법과 같다. 아무것도 없다고 믿어지는 공간에 돌을 던지면 물방울이 튀어 오르며 다시 만들어지면서 떨어진다. 이때 인증샷을 찍는 원리이다. “양성자와 양성자를 충돌시키는 가속기에 우리가 예상하는 힉스입자 질량보다 더 초과되는 에너지를 넣을 수 있다면 E=mc²인 상대성 이론에 따라 입자가 튀어나오게 됩니다. 예를 들어 힉스입장 질량이 100이라면, 100 이상의 에너지를 넣어 진공에 때리면 힉스입자가 나온다고 볼 수 있습니다. 하지만 그 순간이 찰나여서 나오자마자 사라지기 때문에 찍을 방법이 없습니다. 유일한 방법이라면 힉스입자가 만들어지고 다시 붕괴될 때 카메라로 찍는 것이라고 할 수 있습니다.” 그러나 힉스입자를 시각화하는 여정은 만만치 않다. 힉스입자를 찾기 위해 스위스 제네바 공항을 시작으 로 27km까지에 100미터 혹은 150미터 지하를 파서 거대한 LHD 대형 강입자 충돌기를 설치했다. 그리고 그 안의 충돌 포인트에 카메라를 설치해 계속 사진을 찍고 있다.   사진에 있는 입자는 모두 힉스입자가 아니다  ⓒCERN 문제는 사진 안의 입자들이 모두 힉스입자가 아니라는 점이다. 아주 많은 입자들이 찍히기 때문에 이것을 찾는 작업이 필요하다. 80여 개국, 300여 개 대학, 8천명의 인력이 참여하고 있는 것도 이 때문이다. 이들은 사진을 분석해 힉스입자라고 추측되는 광자를 골라낸다. 한마디로 힉스입자 용의자를 찾아내는 것이라고 할 수 있다. 무수한 사진 분석 결과, 지난 3월 노력의 성과가 나오기도 했다. 유럽입자물리연구소가 힉스입자 발견이 확실시되고 있다고 밝힌 것. 그런데 여기서 우리가 유의해서 봐야 할 점이 하나 있다. ‘발견됐다’가 아니 라 ‘발견이 확실시된다’이다. 이는 그럴 가능성이 높다는 것이지 확정이 아니라는 말과 같다. 사실 발견의 선언은 통계적 의미로 해석해야 한다. 새로운 물리가 있다는 확신을 얻기 위해서는 통계적 으로 의미가 있는 새로운 사실이 확인되어야만 가능하기 때문이다. 물리학자들이 복잡한 확률과 통계의 개념을 통해 자신들의 실험 결과를 발표하는 이유이기도 하다. 그런데 이렇게 따지고 보면, 유럽입자물리 연구소의 발표는 확률로써 힉스입자를 봤다고 발표한 것이라고 할 수 있다. “새로운 입자를 찾은 것은 맞습니다. 그러나 이것이 힉스입자냐 아니냐는 아직 정확히 ‘예스'라고 말할 수는 없습니다. 힉스입자의 모든 성질과 맞춰져야 하기 때문이죠. 그래서 우리가 본 힉스입자의 충돌 이미지는 엄밀하게 말해 힉스입자와 다른 입자가 결합된 상태라고 할 수 있습니다.”