안녕하세요. 훈하니 @hunhani입니다.

오늘은 신(神)의 입자(粒子)라는 별명을 지닌 힉스(Higgs)에 대해 알아보겠습니다.

그 전에 잠깐!

☞ 힉스?

우주 대폭발(빅뱅) 직후 나타난 기본 소립자에 질량을 부여한 입자입니다. 힉스 입자가 있어야 우주 만물의 탄생을 설명할 수 있는데요. 1964년 영국의 피터 힉스 교수가 처음 가설을 제시하여 2012년 존재 여부가 실험적으로 밝혀졌답니다.

☞ 표준모형?

1968년 스티븐 와인버그와 압두스 살람이 제시한 입자물리학의 기본 원리입니다. 1897년 톰슨이 기본 입자 중 가장 먼저 전자를 발견했으며, 1995년 미국 페르미연구소가 톱 쿼크를 발견한 이후 2012년 유럽입자물리연구소(CERN)가 힉스를 마지막으로 발견했습니다. 물리학에서 표준모형은 생물학에서의 진화론과 같은 위상을 가졌다고 볼 수 있습니다.

만물을 형성하는 입자에 질량을 주는 매개체

지난 2012년, 물질을 이루는 기본 입자 중 가장 핵심적이면서 우주 만물을 탄생시킨 주인공이라 칭해도 결코 과언이 아닌 힉스가 발견되었습니다. 힉스는 우주탄생을 설명하는 입자물리학 표준모형의 모순을 해결하기 위해 지난 1964년 피터 힉스 교수에 의해 가설로 제시된 입자인데요. 힉스는 1964년 이런 만물을 형성하는 입자에 질량을 주는 매개체가 있을 것이라고 예견했습니다.

소립자와 힘의 결합이 세상의 모든 물질을 구성한다

표준모형에 따르면 우주에는 6개의 쿼크, 6개의 렙톤으로 이루어진 12개의 소립자와, 이들 사이에 힘을 전달하는 강한 핵력, 전자기력, 약한 핵력, 중력에 해당하는 글루온, 광자, 워크 게이지 보존, 중력자로 이루어진 4개의 힘과 관련된 매개입자가 있는데요. 표준모형은 이런 소립자와 힘의 결합이 세상의 모든 물질을 구성하고 있음을 설명해줍니다. 가령 원자핵이나 원자핵 속의 양성자 등도 이런 기본 입자가 만들었다는 것이죠.

질량이 없는 기본 입자! 그런데 기본 입자로 구성된 물질에는 질량이 있다?

한편, 137억 년 전 우주 대폭발(빅뱅) 직후 탄생한 기본 입자들은 질량이 없는 반면 기본 입자들로 구성된 물질에는 질량이 존재하는데요. 힉스 입자는 이 기본 입자들에 질량을 부여하는 역할을 합니다.

힉스 입자는 왜 발견하기 힘들었을까?

힉스 입자까지 포함하면 표준모형은 총 17개의 입자로 구성되는데요. 이 가운데 힉스 입자만이 2012년 발견 이전까지 예측만 할뿐 실제로 발견하지 못한 가상의 존재로 남아 있었답니다. 나머지 16개의 입자는 137억 년 전 우주 대폭발(빅뱅) 때 생겨나서 그 존재가 확인되고 있지만 힉스 입자는 그 당시 이들 16개 입자에 질량을 부여하는 동안 아주 잠깐 동안만 존재한 것으로 추정돼 실재를 확인할 수 없었기 때문입니다.

힉스가 갖는 물리학적 의의

힉스 입자의 존재가 최종 확인됐다는 것은 질량이 있는 모든 입자의 생성 원리를 규명한다는 의미를 갖는데요. 나아가 우주 탄생의 원리를 설명하는 가장 유력한 가설인 표준모형도 완성되는 것입니다.

표준모형과 기본입자가 갖는 물리학적 위상

영국의 이론물리학자 피터 힉스(84)와 벨기에의 이론물리학자인 프랑수아 앙글레르(81)는 힉스 입자의 존재를 최초로 예언한 공로로 2013년 노벨 물리학상을 수상하였습니다. 참고로 그동안 물리학의 표준모형을 정립하는데 기여하거나, 기본 입자를 예견 혹은 발견한 사람들은 모두 노벨상을 수상했으니 이와 관련한 물리학적 의의가 얼마나 대단한 것인지 짐작이 가시나요?

비운의 천재 이휘소 박사

한편 힉스 교수가 제안한 가상의 입자에 처음으로 힉스 보존이란 이름을 붙인 인물이 바로 우리나라의 이휘소 박사라는 사실 알고 계셨나요? 그는 1965년 처음 '힉스 입자'라는 표현을 사용했으며 1972년에는 '힉스 입자에 미치는 강력(강한 핵력)의 영향'이란 논문을 국제학회에서 발표하기도 했습니다. 이휘소 박사는 또한 기본 입자의 하나인 '참 쿼크'도 처음 예측했는데요. 노벨상 수상은 정말 떼어 놓은 당상이라고 할 수 있었지만 안타깝게도 불의의 사고로 일찍 세상을 뜨고 말았답니다. 정말 슬픈 일이 아닐 수 없습니다.

아직 갈 길은 멀다

물론 힉스 입자만으로 우주의 신비가 모두 풀리는 것은 아닙니다. 현대물리학에서는 우주에 반드시 존재해야 하지만 측정할 수 없는 물질을 암흑 물질, 그러한 에너지를 암흑 에너지라 부르는데요. 전체 우주의 95%를 이 암흑 물질들로 이루어져 있기 때문에 여전히 풀어야 할 것이 산더미처럼 남은 것이지요.

만물의 이론을 향하여

과학계는 물질의 구성은 물론 암흑 물질이나 중력 등 모든 우주를 포괄해 설명할 수 있는 만물의 이론 (Theory of Everything)에 대한 연구가 계속되고 있습니다. 표준모형은 이 만물의 이론을 만들기 위한 초석 역할을 한다고 볼 수 있답니다.

내기에서 진 스티븐 호킹

여담으로 세계적으로 유명한 물리학자 스티븐 호킹 박사는 2011년 말 동료 과학자와 내기를 하면서 힉스가 없다는 쪽에 100달러를 걸었고 결국 1년여 만에 패배의 쓴맛을 보았다고 합니다.

다음 시간에는 일반인도 쉽게 이해할 수 있는 그림으로 설명하는 힉스 입자에 대해 살펴보겠습니다. 뉴욕 타임스 내용을 번역만 하여 가져올 예정이라 금방 다시 찾아뵐 수 있을 것 같습니다.

지난 이야기

본문에서 사용된 모든 이미지는 구글 이미지에서 가져왔음을 밝힙니다.
본문을 작성하면서 연합뉴스 및 조선일보 기사를 참조하였습니다.

# YHH

[신의 입자] 만물에 질량을 부여하는 입자, 힉스에 대해 알아보자. (상편)