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최근 신의 입자 ‘힉스’발견을 놓고 과학계가 시끄럽다.

물론 언론에서도 만일 발견됐다면 이는 대단한 과학사의 일대 혁명이라며 헤드라인을 장식하시도 한다.

최근 해외의 뉴 사이어티스트(New Scientist) 9일(현지시각) 보도를 포함 유명 과학 잡지 등이 힉스(Higgs) 발견 여부에 대한 대단한 관심으로 이를 보도하고 있다.

우주의 진화와 물질이 왜 질량을 갖게 됐는지를 설명하는 입자인 힉스는 다른 입자들과 달리 아직까지 검출되지 않았다. 만일 힉스입자의 존재가 발견, 입증되면 현대 물리학의 토대가 비로소 완벽하게 검증된다는 점에서 과학계는 '과학사의 일대 혁명'이라고 평가하고 있다.

스위스 유럽입자핵공동연구소(CERN)는 “이게 바로 그것(힉스)일 지 모른다. 이제 LHC는 마침내 힉스 보존이 숨어 있을 만한 구석구석을 모두 뒤져볼 수 있는 충분한 데이터를 확보했다”고 말하고 LHC 물리학자들은 오는 13일 그들의 최신 연구 결과를 발표할 예정이다.

* 힉스 입자, 즉, 힉스 보존이란 무엇인가?

입자물리의 표준모형에서 마지막까지 발견되지 않고 있는 '멤버'이다. 표준모형이란 입자와 입자 상호간의 힘을 기술하는 선도적인 이론이다. 이 신기한 입자는 다른 입자들에게 질량을 부여하지만, 표준모형에서 힉스 보존 자체의 질량은 예측하지 못하고 있다.

* 과연 힉스 보존은 어디 숨어 있는가?

힉스 보존은 입자들이 고속으로 충돌할 때 순식간에 생성됐다가 사라지므로, 수년 동안 물리학자들은 다양한 입자 충돌기에서 그 증거를 조사해 왔다. 그들은 서서히 힉스 보존이 있을 법하지 않는 질량 범위들을 제외시켜 나갔는데, 아직은 제외시키지 못하고 남은 질량 범위가 남아 있다. 115 ~ 141 제브(GeV, 기가전자볼트) 범위이며, 이 질량 범위는 가장 간단한 형태의 힉스 보존이 '피신'해 있을 수 있다.

* LHC 물리학자들이 다음 주에 뭘 발표하는가?

그들이 125 제브, 양성자의 133 배 정도 되는 질량 대에서 힉스 보존의 '존재를 암시'하는 것을 발견했다는 소문이 있다. 하지만 확실한 것은 LHC의 주 탐지기인 아틀라스(ATLAS)와 씨엠에스(CMS) 팀이 각각 지난해 양성자 충돌기로부터 수집한 데이터의 가치를 프리젠테이션(presentation)할 것이라는 것이다.

그것은 무려 300조 번 이상의 고속 입자 충돌 자료인데, 지난 8월 컨퍼런스에서 보고된 데이터의 두 배가 넘는다. 하지만 그 조차도 아직 힉스 보존의 존재를 결정적으로 가타부타할 정도로 충분한 데이터양은 못 되는데, 그러나 이전에는 면밀히 검토해보지 못했던 해당 질량 범위(125 제브 근처)에서 힉스 보존의 존재를 암시하기에는 충분하다.

* 그래도 여전히 힉스 보존의 징후가 없다면 ?

이번에는, 아무것도 나타나지 않는다면, 물리학자들은 '포기'하기 시작할 것이다. "만일 우리가 모든 질량 범위에서 (힉스 보존의 존재를 암시하는) 사건을 목격하지 못한다면, LHC 데이터에서 표준모형 힉스 보존의 존재를 탐탁치않게 여기기 시작할 것이다." 씨엠에스 대변인 기도 토넬리의 말이다. 그는 “정말로 (힉스 보존을) 제외시키려면 추가적인 데이터가 필요하다. 그러나 이 정도 분량의 데이터에서도 우리가 무언가' 일어나고 있다고 알려주는 것을 아무 것도 보지 못한다면, 우리는 아마도 다른 해법을 찾아야 할 것이다”고 말했다.

* 다른 해법은 있는가?

텍사스 대학의 노벨상 수상자 스티븐 와인버그는 “힉스 외의 대안은 있다고 생각 한다”  그는 보스톤 대학의 쉘던 글래쇼우 및 런던 임페리얼 칼리지의 압두스 살람과 함께 1960년대 표준모형을 저술했다. 힉스 보존을 포기하게 되면, 우리는 또 다른 입자들과 힘(들)을 포함하는 보다 흥미로운 (새로운) 물리학의 문을 열게 된다.

* 우리에게 힉스 보존이 '필요'한가?

“아닐 것이다” 뉴저지 러쳐스 대학의 이론물리학자 메트 스트라시에(Matt Srassier)의 말이다. 스트라시에는 “힉스 보존은 소위 '힉스장'이라 불리는 장(field)의 파동(ripple)일 뿐이며, 다른 입자들에 실제로 질량을 부여한다고 생각되어졌다. 사람들에게서 잊혀 지는 가엾은 힉스장 노동자, 우주를 재앙으로부터 보호하려 하지만, 자신들이 응당 받아야 할 칭찬을 전혀 받지 못하는 그들” 자신의 블로그에 이렇게 썼다.

만일 LHC가 힉스 보존을 찾지 못한다 해도, 힉스장에까지 커튼을 내리는 것을 의미하는 것은 아니다. 그보다는 단지 전자기장 - 전자기장의 물결이 바로 광자(photon)다 - 혹은 연관된 기본 입자를 같는 다른 역장과 같은 방향으로 힉스장이 물결치는 것이 아니라는 것뿐일 수도 있다. 힉스장은 여전히 입자들에 질량을 부여한다 - 다만 탐지 가능한 자신과 연관된 기본 입자가 없다는 것일 수도 있다. 단지 힉스장에 접근하기 가장 쉬운 방법이 힉스 보존이기 때문에 물리학자들이 찾고 있을 뿐이다.

* 더 예측하지 못한 것이 나올 가능성에 대해서는?

테크니컬러(technicolor, '총천연색'이라는 다소 장난스러운 의미를 갖는데, 초끈 이론에 나옴.)라 불리는 새로운 힘의 존재는 힉스 보존이 없이도 입자에 질량을 부여할 수 있다. 테크니컬러는 강한 핵력의 아주 든든한 버전 같은 것인데, 원자핵 내부의 쿼크를 서로 묶어준다. (더 정확한 표현은 그렇게 주장되고 있다.) '테크니컬러'라는 힘은 한층 새로운 입자쌍들로 공간을 채우게 되는데, 일종의 스프(soup) 같은 것을 형성하며, 다른 입자들이 이곳을 거쳐 가면서 질량을 얻게 된다.

와인버거는 “그것이 힉스 보존이 없다면 가장 뛰어난 대안일 것이다”면서 “그 경우 수많은 새로운 입자들이 존재하게 되고, 아마도 고에너지 영역이겠지만, LHC가 이것들을 발견할 것이다. 그러나 힉스 보존은 찾지 못할 것이다. 힉스는 없다. 상식선에서 말하자면...” 이라고 말했다.

* 왜 이러한 대안을 진지하게 받아들여야 하는가?

CERN의 이론물리학자 존 엘리스는 “모든 가능성들을 결론짓는 것은 이론 물리학자들이 할 일이다. 실험 물리학자들이 'LHC가 밝혀내거나 밝혀내지 못할 그것이 무엇이든 간에, 그것을 궁극적으로 발견하거나 못하거나' (아무튼) 필요한 모든 도구를 갖도록 하자는 것”이라고 말했다.

또 토넬리도 “LHC가 무엇을 발견하든, 그런 홍수처럼 쏟아지는 많은 데이터를 얻을 수 있다는 가능성은 흥분되는 일이다”면서 “이곳 분위기는 이렇다. 사람들은 우리가 정말로 뭔가 중요한 것을 건드리고 있다고 느끼고 있다."