<저널 피직스월드(The Physics World)는 2012년 올해의 물리학 뉴스 중 "CERN의 LHC를 이용하여 ATLAS와 CMS에서 힉스를 닮은 입자를 발견"한 것을 톱으로 선정했다. 그리고 미국 조지아 공대에서 개발한 에너지 하베스트 시스템에서 은하단(galaxy cluster)을 다룬 정밀 우주론에 걸쳐 9가지 뉴스를 꼽았다.>

1. 힉스를 닮은 보존을 발견한 CERN

적어도 2012년은 물리학이 대세였던 한 해로 기억될 것이다. 적어도 지난 7월 CERN의 ATLAS와 CMS에서 연구 중인 물리학자들이 힉스를 닮은 입자를 발견했다고 공표했던 영광스러운 한 주 동안은 그랬다. 전 세계의 카메라 기자들과 리포터들이 제네바의 연구실에 몰렸고 그곳에서 발표가 있었으며 전 세계 뉴스 방송과 신문지의 첫 기사 내지는 표지를 장식했다.

그러나 대중의 관심은 이 발견을 어째서 올해의 뉴스로 선택했는지가 아니었다. 7월의 발표는 이미 물리학자들이 힉스 보존을 거의 50년 동안 예상해 왔기 때문에 미리 예견된 것이었다. 이 발견은 입자물리학의 표준모델을 완성하기 때문에, 자연스럽게 21세기 물리학의 가장 중요한 돌파구이다.

힉스 보존과 연관된 힉스장은 빅뱅 직후에 어떻게 약한 전자기 대칭성(electroweak symmetry)이 깨져 기본 입자들에 질량을 부여했는지를 설명한다. 그러나 표준모델은 힉스 질량을 예측하지는 않기 때문에 지난 7월까지는 미스터리로 남아있었다. 그러나 CERM의 두 실험실에서 각각 독립적으로 입자의 질량을 125 제브(125 GeV/c**2)이라 발표하면서 힉스(를 닮은) 입자의 질량이 정해졌다. 중요한 것은 두 실험실에서 이 숫자를 5 시그마(약 99.9999994%)의 신뢰도로 주장한 것이다. 일반적으로 입자물리학계에서 "발견"으로 간주되려면 이 정도의 통계적 한계치를 넘어서야 한다.

그리고 만일 이것도 충분하지 않다면 지난 20년 동안 두 실험실의 수천 명이나 되는 규모의 멤버들이 달성한 합동 연구 결과를 생각하라. 1990년대 초반에 최초로 LHC 계획이 싹튼 이래로 물리학자들은 테브(TeV) 규모의 에너지를 갖는 두 양성자가 충돌하면서 생성되는 다수의 입자들을 포착하고 측정하기 위한 작은 사무용 빌딩 규모의 검지기를 어떻게 만들지 생각하기 시작했다. 일부는 방대한 충돌 데이터들을 저장하고 물리학자들에게 배포하는 쪽에 집중했다. 그리고 또 다른 일부는 배포된 놀랄 정도로 방대한 정보를 분석하는 방법을 개발했다.

만일 ATLAS와 CMS에서 단순히 예상된 대로만 기능했더라도, 그것만으로도 올해의 뉴스가 될 자격이 있었을 것이다. 그러나 양쪽 다 지난 2010년 데이터를 취득하기 시작한 이래로 기대 이상의 성과를 냈다. 사실 현 ATLAS 대변인인 파비올라 지아노티(Fabiola Gianotti)는 가속기가 초기에 예상된 것보다 10배나 많은 데이터를 생성했다고 말했다. 그녀에 따르면 실험 결과와 컴퓨팅 그리드(computing grid), 그리고 LHC 가속기 모두가 예상을 넘어섰다고 말한다.

이것들은 두 실험실에서 지난 2년 넘게 데이터를 취득해온 끝에 힉스 입자를 향해 곧장 달려갈 수 있었던 여러 이유 중 단 몇 가지일 뿐이다. 사실 새로운 입자의 정밀한 특성은 해당 입자가 다른 입자로 어떻게 붕괴하는지에 의해서 밝혀지는데, 붕괴된 입자들이 ATLAS와 CMS 공동연구팀에서 감지되는 것이다. 그리고 ATLAS와 CMS 공동연구팀처럼 우리가 조심스럽게 '힉스를 닮은' 입자라고 부르지만, 그러나 이 입자가 정말로 표준모델에서 설명하는 힉스 보존이라는 증거가 점차 나타나고 있다.

지난 11월 일본에서 개최된 컨퍼런스에서 공동연구팀이 공개한 분석 결과는 이 같은 아이디어를 뒷받침한다. 이는 지난 7월 발표 이후로 얻어진 8 테브 에너지 대역에서의 충돌 데이터에 부분적으로 기반을 둔 것이다. 이번 주 초에 지아노티는 발견된 입자에 대해 현재 추가적인 정밀도로 측정되고 있다고 말했다. "표준모델의 힉스 상태가 아주 양호하다."고 그녀는 표현했다.

2012년 12월 14일 현재 8 테브의 양성자-양성자 충돌을 끝내고, LHC는 2013년 2월 11일까지 양성자를 납 이온에 충돌시킬 예정이다. 그리고는 2015년 13 테브의 에너지로 충돌기와 주 실험실 장비들을 업그레이드하기 위한 셧다운에 들어간다. 그러나 ATLAS와 CMS 연구원들은 그때까지 분석해야할 막대한 양의 데이터를 갖고 있다.

아직 규명되어야 할 입자의 중요한 특성 하나는 스핀이다. 표준모델은 제로(0) 스핀 값을 갖는다고 예측하고 있지만, 스핀 값이 2일수도 있다(스핀 값 1은 이미 배제되었다.). 지아노티와 CMS 대변인 조 인칸델라(Joe Incandela) 모두 이 의문은 현재 데이터를 분석하면 해결될 것으로 믿는다. 그리고 인칸델라는 2013년 중반까지 3~4 시그마 신뢰성을 갖는 스핀 값 측정 결과가 나올 것이라고 덧붙였다. 5 시스마라는 "황금 표준"(gold standard)을 갖는 값은 아니지만, 그러나 인칸델라는 입자 물리학자들을 확신시키기에는 충분할 것이라고 믿고 있다.

그렇다면 LHC가 13 테브의 에너지로 재가동할 때 ATLAS와 CMS에서 기대할 수 있는 것은 무엇인가? 인칸델라는 더 높은 에너지로 3년 동안 데이터를 취득할 수 있기를 바라고 있는데, 검지기의 성능 개선과 더 높은 충돌 속도는 물리학자들에게 힉스입자의 모든 면에 대한 더 나은 척도를 제공할 것이라고 말한다. 예를 들면 물리학자들은 8 테브 에너지 대역에서는 좀처럼 볼 수 없었던 드문 붕괴 채널을 연구할 수 있을 것이다. 그렇게 되면 현재로서는 맞출 수 없는 퍼즐 조각을 끼워 넣게 될 것이라고 인칸델라는 말한다. 게다가 130 제브(130 GeV/c**2) 이하의 힉스입자는 표준모델의 확장인 초대칭성 같은 데서 예측되는 것으로, 암흑물질의 기원을 포함하여 우리가 여전히 메우지 못하고 물리학상의 빈칸을 채우는데 도움을 줄 것이다.

적극적으로 추천할 만한 뉴스들

자 이제 ATLAS와 CMS 연구팀에 축하를 보낸다. 이제 올해 물리학 뉴스의 나머지 9가지를 살펴보자. 순서와 무관하게 다음과 같은 뉴스가 선정되었다. 선정된 평가 기준은 다음과 같다.

-. 근본적인 측면에서의 해당 연구의 중요성

-. 현저한 지식의 증가

-. 이론과 실험 결과 간의 강한 연관성

-. 모든 물리학자들의 일반적인 관심도

2. 라나 페르미온

레오 쿠벤호번(Leo Kouwebhoven)과 델프트 공대 및 아인트호벤 공대의 연구원들. 고체 내의 찾아내기 힘든 마요라나 페르미온(Majorana fermion)의 증거를 최초로 찾아내었다.

마요라나 페르미온은 자신이 자신의 반입자이기도 한 입자로 1937년 이탈리아 물리학자 에토레 마요라나가 처음으로 제안한 것이다. 보다 최근에는 물리학자들이 마요라나를 닮은 준입자들이 특별한 구조적 특성을 갖는 소재 내에 숨어있을 수 있다고 주장했다. 그런데 레오 쿠벤호번과 델프트 공대 및 아인트호벤 공대의 연구원들은 구조적으로 초전도체와 반도체 사이의 경계에서 마요라나 페르미온으로 보이는 것을 최초로 발견했다. 마요라나 페르미온들은 환경 노이즈에 영향을 받지 않는 것으로 예상되며 따라서 양자 컴퓨터에 유용할 수 있다.

3. 시간 역전 위반

바바(Babar) 공동연구팀. B0 중간자(meson)가 양자 상태를 변경시키는 비율을 측정함으로써 시간 역전 위반(time-reversal violation)을 최초로 직접 관찰하였다.

거의 50년 동안 물리학자들은 시간 역전 위반 현상을 직접 관찰하려고 기다려왔다. 그런데 캘리포니아 SLAC 국립가속기 센터의 PEP-II 설비에 장착된 바바(Babar) 검지기에서 취득한 데이터를 분석하던 연구원들은 바로 이 일을 해냈다. 공동연구팀은 B0 중간자(meson)의 양자 상태간의 전이에 주목했는데, 전이율이 다른 것을 발견하였다. T(시간 역전)-위반이 나타나는 것 자체는 놀랄 일이 아니지만, '직접 실험적으로 관찰하는 것'은 양자장(quantum field) 이론의 검증을 위해서는 중요하다.

4. 은하단의 운동

캘리포니아 대학 버클리 캠퍼스의 닉 핸드(Nick Hand)와 아타카마 우주 망원경(ACT, Atacama Cosmology Telescope) 및 보스(BOSS, Baryon Oscillation Spectroscopic Survey. 중입자 음향진동 관측)의 동료들. 대규모 은하단(galaxy cluster)의 움직임을 최초로 관측했다.

먼 은하단의 움직임은 우리에게 우주가 어떻게 형성되었는지에 대해 많은 것을 알려줄 수 있으며, 신비로운 암흑물질과 암흑에너지에 대해서 밝혀줄 수도 있다. 약 40년 전 러시아 물리학자 라시드 서냐예프(Rashid Sunyaev)와 야코프 젤도비치(Yakov Zel'dovich)는 은하단의 움직임을 우주배경복사(CMB, cosmic-microwave-backgrooud)에 나타나는 약간의 온도 편이로 관측할 수 있을 것이라고 계산하였다. 그런데 닉 핸드와 ACT 및 보스(BOSS)의 동료들이 이 일을 해냈다. 정밀 우주론의 또 하나의 승리였다.

5. 불투명한 물체 속 들여다보기

알라드 모스크(Allard Mosk)와 드벤테 대학 메사(MESA+) 연구소의 동료들. 불투명한 장애물 뒤편의 형광 물체를 볼 수 있는 새로운 기술을 개발하였다

현대 의학의 많은 부분은 인체 내부를 들여다볼 수 있는 기술에 의존된다. 엑스레이로부터 자기공명 영상장치에 이르기까지 이 목적을 위해서 개발된 것이다. 그러나 인체 조직은 가시광선을 포함한 전자기 스펙트럼에 대해 대부분 불투명하다. 의사들은 여전히 그들이 볼 수 있는 부분이 제한적인 것이다. 그러나 알라드 모스크와 동료 연구원들은 레이저 반점 패턴이라 불리는 일반적인 효과를 응용하여 마이크로미터 길이의 형광 물체를 수 밀리미터 두께의 불투명한 소재를 통과하여 바라볼 수 있었다.

6. 최초로 개발된 실온 메이저

국립물리학연구소 마크 옥스보로(Mark Oxborrow) 및 런던 임페리얼 칼리지의 조나단 브리즈(Jonathan Breeze)와 네일 알포드(Neil Alford). 이들은 최초로 실온에서 작동하는 메이저를 만들었다.

고체 메이저는 극도로 민감한 마이크로파 감지기이며 따라서 정보통신 및 이미징 응용 분야에 다양하게 사용될 수 있다. 그러나 이제까지 메이저를 작동시키려면 액체 헬륨을 이용하여 극도로 낮은 온도로 냉각시킬 필요가 있었다. 따라서 상용으로 쓰기에는 대부분 비현실적이었다. 그러나 마크 옥스보로, 조나단 브리즈, 그리고 네일 알포드 덕분에 모든 것이 달라졌다. 그들은 실온에서 작동하는 최초의 메이저를 개발했다

7. 데이터를 삭제하려면 에너지가 소비된다.

프랑스 리용의 '에꼴 노말 쉬페리에'(Ecole Normale Supérieure, 고등사범학교)의 앙뜨완 베뤼, 아흐따끄 아하끌리앤, 아흐띠욤 뻬뜨로시안, 그리고 세르지오 실리베르또. 옥스버그(Augsburg) 대학의 에릭 러츠. 카이저슬로턴(Kaiserslauterm) 대학의 라울 딜렌쉬나이더. 이들은 데이터 비트 각각이 삭제될 때 방출되는 아주 작은 양의 에너지를 최초로 측정했다.

19세기 제임스 클러크 맥스웰이 가상의 도깨비를 생각한 이래로 연구원들은 정보 이론과 열역학 사이의 연관성을 만들기 위해 노력해왔다. 1961년 독일-미국 물리학자 롤프 란다우어(Rold Landauer)는 정보를 삭제할 때 열 소모가 있음을 주장했다. 그런데 지금 프랑스와 독일의 6명의 물리학자들이 최초로 이 사실을 실험적으로 증명했다. 두 가지 상태 사이를 오가는 아주 작은 레이저에 포착된 구슬을 이용했다.

8. 얽힘 상태의 꼬인 구슬들

안톤 자일링거(Anton Zeilinger), 로버트 피클러(Robert Fickler), 그리고 비엔나 대학의 연구원들. 궤도 각운동량을 이용한 얽힘 상태의 광자를 구현하는 새로운 기술 개발.

코르크 마개뽑이처럼 생긴 빔(빛)의 궤도 각운동량은 대략 지난 20년 전까지 대부분 무시되어 왔던 양이었다. 그러나 오늘 물리학자들은 "꼬임 상태의 빛"을 새롭게 응용하느라 분주하다. 안톤 자일링거, 로버트 피클러, 그리고 동료들은 값이 300이나 되는 궤도 각운동량을 갖는 얽힘 상태를 광자를 구현했다. 이전까지의 기록보다 10배 이상이나 큰 값이다. 새로운 기술은 양자 컴퓨팅뿐만 아니라, 거시적 규모의 물체에도 얽힘 상태를 구현할 수 있으며 원격 감지 분야에 응용될 수 있을 것이다.

9. 뉴트리노 기반의 통신

노스캐롤라이나주의 대니얼 스탠실(Daniel Stancil)이 이끈 페르미 국립과학연구소 미네르바 실험 참가 물리학자들과 노스캐롤라이나 주립대학의 공학자들, 그리고 나사(NASA) 글렌(Glenn) 연구소의 공동연구팀. 뉴트리노를 이용한 통신을 최초로 증명하였다.

우주 건너편으로 메시지를 보내고 싶다면? 혹은 파도 저 밑 깊숙이 움직이는 잠수함에 메시지를 보내려면? 그렇다면 뉴트리노밖에 없다. 당신의 메시지는 확실히 그곳에 도달할 것이다. 이 아원자 입자들은 길이 '1000 광년'의 납일지라도 아무 영향을 받지 않고 쉬이 통과할 수 있다.

그러나 문제는 거의 물체와 상호작용이 없는 입자들을 이용하는 신호를 인코딩(encoding)하고 또 감지해내는 방법이다. 대니얼 스텐실이 이끄는 공동연구팀은 최초로 이 어려운 과제에 도전했다. 페르미 랩의 누미(NuMI) 뉴트리노 빔과 미네르바(MINERvA) 감지기를 이용하여 1 킬로미터 떨어진 시설로 데이터를 전송했다. 데이터 속도는 0.1 bps의 굼벵이였지만, 그러나 메시지는 단 1%의 비트 에러 율로 수신되었다. 뉴트리노 통신 원리가 믿을 만함을 증명한 것이다.

10. 에너지 생성과 저장을 한 번의 스텝에 수행한다.

종 린(Zhong Lin)과 조지아기술연구소 동료들. 한 번의 스텝에 운동 에너지를 화학 에너지로 변환하는 새로운 시스템을 개발했다.

외출 중에 무선 전화기 배터리가 바닥난 경우가 얼마나 잦은가? 충전기와 전기 콘센트를 찾는 대신 신고 있는 구두를 이용해서 전화기를 충전하면 훨씬 좋을 것이다.

그것이 종 린 왕과 그의 동료들이 꿈꾸는 것인데, 그들은 발걸음 또는 기타 운동으로 에너지를 거두어들이고 배터리에 저장할 수 있는 새로운 시스템을 개발했다. 이 개념 자체는 그리 독특한 것은 아니지만, 기계적인 에너지를 화학적 위치 에너지로 변환한 것은 연구팀의 기술이 최초였다. 중간 단계인 전기 에너지로 변환하는 과정을 건너뛰고 화학 에너지로 곧바로 변환했다.