Standard Model = Electroweak Symmetry + Higgs Mechanism
1. 20세기 과학자들이 밝혀낸 바에 따르면 우리가 살고 있는 이 우주는 크게 물질을 직접 구성하는 입자와 힘을 매개하는 입자로 양분할 수 있다. 물질을 구성하는 입자는 다시 양성자나 중성자 같은 핵자를 만들 수 있는 쿼크와 그렇지 못한 경입자로 나뉜다. 경입자의 대표적인 예는 전자이다. 흔히 유령의 입자라 부르는 3종의 중성미자도 경입자에 속한다. 지금까지 과학자들은 총 6개 쿼크와 총 6개 경입자를 발견했다. 힘을 매개하는 입자의 대표 주자는 광자(photon), 즉 빛이다. 빛은 전자기력을 매개한다. 전자기력은 중력과 함께 인류가 오래전부터 알았던 자연의 힘이다. 20세기에 들어와서야 알게 된 자연의 힘 중에는 원자핵과 관련된 강한 핵력과 약한 핵력이 있다. 강한 핵력은 양성자와 중성자를 원자핵으로 단단히 묶어주는 일을 한다. 앞서 말했던 쿼크를 이어주는 접착자(gluon)가 강한 핵력을 매개하는 입자이다. 한편 약한 핵력은 입자의 종류를 바꾸는 신비한 힘이다. 중성자가 전자와 중성미자를 내놓고 양성자로 붕괴하는 현상이 바로 약한 핵력 때문이다. 약한 핵력을 매개하는 데에는 W와 Z라는 입자가 관여한다. 요컨대, 세상은 무엇으로 만들어져 있는가에 대한 20세기 과학자들의 답변은 이렇다. 6개의 쿼크와 6개의 경입자, 그리고 힘을 매개하는 입자 4개가 우주의 삼라만상을 설명한다는 것이다. 이들 입자처럼 더 이상 쪼개지지 않는 최소 단위의 입자를 소립자 혹은 기본입자라고 부른다. 여기에는 두 가지 중요한 요소가 빠져 있다. 하나는 중력이고 다른 하나는 지금 설명하려고 하는, ‘신의 입자’라는 별칭을 가진 힉스 입자이다.
2. 힉스 입자가 중요한 이유는 전자기력과 약한 핵력의 통합과 관련이 있다. 과학자들은 단순한 것을 좋아하는 경향이 있어서 자연에 4개나 되는 힘이 존재한다는 사실을 달가워하지 않았다. 특히 말년의 아인슈타인은 전자기력과 중력을 하나로 통합하는 데 전력을 기울였다. 아인슈타인은 실패했지만, 통합을 향한 열정은 후대의 과학자들에게 이어져 1960년대에 그 빛을 보게 되었다. 통합의 기본원리는 대칭관계였다. 사람의 몸이 겉보기에 좌우대칭이듯이 입자들 사이에도 추상적인 대칭관계가 존재한다. 이는 우리가 자연을 기술하는 기준을 어떻게 잡더라도 그 법칙은 변화가 없어야 한다는 사실과 관계가 있다. 이런 대칭성을 게이지 대칭성이라고 부른다. 사람 몸이 좌우대칭이면 반쪽의 정보만으로도 나머지 반쪽을 알 수 있듯이 게이지 대칭성이 있으면 소립자들 사이의 상호관계를 좀 더 심오한 수준에서 이해할 수 있다. 특히 전자기력과 약력에 대해 새로이 도입된 이른바 약전기 대칭성은 하나의 게이지 대칭성으로 전자기력과 약력을 통합적으로 기술할 수 있게 해준다. 그 결과 광자의 사촌뻘 되는 W와 Z 입자가 약한 핵력을 설명하기 위해 자연스럽게 도입된다.
3. [그러나] 소립자에 대칭성을 도입한 대가는 만만치 않다. 대칭성은 한마디로 말해 구분할 수 없다는 뜻이다. … 약전기 대칭성은 그 독특한 성질 때문에 소립자들을 구분 짓는 중요한 물리량 하나를 없애버린다. 그것이 바로 질량이다. 소립자들이 질량이 없다는 것은 실험적으로 말이 안 된다. … 하지만 과학자들은 게이지 대칭성이 가진 여러 장점 때문에 이 이론을 쉽게 버리지 못했다. 그 장점을 이용하는 한 가지 방법은 대칭성을 깨는 기제를 도입하는 것이었다. 소립자가 질량을 가지려면 약전기 대칭성이 깨져 있어야만 하기 때문이다. 원래 대칭성이 없는 것과 있던 대칭성이 깨진 것은 전혀 다르다. 후자의 경우 대칭성이 깨져 있더라도 원래 대칭성의 흔적이 남아 있을 수 있기 때문이다. 바로 이 역할, 즉 약전기 대칭성을 깨면서 소립자가 질량을 갖도록 하는 일을 하도록 도입한 입자가 바로 힉스 입자이다. 이 이름은 영국의 물리학자 피터 힉스(83)의 이름을 딴 것으로, 힉스의 회고에 따르면 힉스 입자라는 이름을 처음 쓴 이가 한국의 물리학자 이휘소였다고 한다. 힉스 입자가 약전기 대칭성을 깨는 과정은 힉스 메커니즘으로 알려져 있다. 힉스 메커니즘이 도입된 것은 1964년이었다. 이해 여름 피터 힉스 외에 이와 비슷한 논문이 두 편 더 나왔는데, 한 편은 벨기에 출신의 프랑수아 엥글러와 로버트 브라우트가 썼고 다른 한 편은 미국 출신의 제럴드 구랄닉, 칼 하겐, 톰 키블이 썼다. 그래서 이들 6인이 힉스 메커니즘의 발견자로 꼽힌다.
4. 미국의 스티븐 와인버그와 섈던 글래쇼, 그리고 파키스탄의 압두스 살람은 1960년대 초·중반 약전기 대칭성을 도입해 힉스 메커니즘과 결합시켜 전자와 중성미자 같은 경입자의 질량과 이들의 상호작용을 기술했고, W와 Z 입자의 존재를 예견했다. 이들의 글래쇼-살람-와인버그 모형은 현대 입자물리학에서 표준모형의 모태가 되었으며 그 중요한 근간을 이루고 있다. ‘표준모형’(Standard Model)은 강한 핵력에 대해 새로운 게이지 대칭성을 도입해 기술하는 강력이론까지 포함한다. 하지만 중력은 표준모형에 포섭되지 못한 채 아인슈타인의 일반상대성이론으로 기술된다. 이는 기본적으로 표준모형이 양자역학적 이론임에 비해 중력을 양자역학으로 표현하는 것이 아직은 요원한 일로 남아 있기 때문이다. 표준모형은 말하자면 “세상은 무엇으로 만들어졌을까”라는 오래된 질문에 대한 20세기의 모범답안이라고 할 수 있다. 탈레스의 물이나 엠페도클레스의 4원소에 비하면 표준모형이 제시하는 17개의 입자(6개의 쿼크, 6개의 경입자, 광자, 접착자, W, Z, 그리고 힉스 입자)는 무척이나 많아 보인다. 하지만 표준모형은 반세기 가까이 숱한 실험을 통해 놀라울 정도의 정확도로 검증돼왔다. 단 하나, 표준모형에서 소립자에 질량을 부여하는 힉스 입자만이 아직도 발견되지 않았다.
5. 유럽원자핵연구기구의 대형강입자충돌기(Large Hadron Collider·LHC)는 사상 최고 성능의 입자가속기이기 때문에 과학자들은 LHC가 가동되자 머지않아 힉스 입자가 발견되리라 예상했다. LHC는 두 개의 양성자 빔을 27㎞에 달하는 지하 터널을 따라 반대 방향으로 가속시켜 정면충돌하게 한다. 이때의 충돌 에너지는 양성자 질량의 8000배(이것은 소립자 세계에서 인간이 만든 사상 최대의 에너지이다)에 달한다. 두 개의 빔 라인이 교차하는 지점에는 건물 10층 규모의 거대한 입자 검출기가 있어서 충돌의 결과를 기록한다. 양성자가 고에너지로 충돌하면 양성자가 부서지면서 그 속의 쿼크나 접착자가 높은 에너지로 튕겨나와 서로 상호작용을 하게 되며 그 결과 힉스 입자가 만들어진다. 일단 힉스가 만들어지면 즉시 우리가 잘 아는 다른 입자들로 붕괴하게 되는데 그 결과가 입자 검출기에 고스란히 흔적을 남긴다. LHC의 대표적인 입자 검출기로는 아틀라스(ATLAS)와 CMS 두 개가 있다. CMS에는 물리학자만 3300여 명이 참여하는 등 역사상 최대 규모의 실험그룹을 자랑한다. 2012년 7월 4일자 유럽원자핵연구기구의 공식 언론발표문 제목은 “유럽원자핵연구기구(CERN) 실험을 통해 오매불망하던 힉스와 부합하는 입자를 관측하다(CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson)”였다.
* 힉스 입자의 발견은 표준모형을 실험적으로 완성해 “세상은 무엇으로 만들어졌는가”라는 질문에 일차적으로 큰 종지부를 찍는 의미가 있다. 2012년은 그 때문에 과학의 역사에서 아주 중요한 한 해로 기록될 것이다. 하지만 힉스 입자는 자체로 모순적인 면이 있다. 힉스 입자는 양자역학적인 과정을 통해 그 질량이 조정을 받는데 그 양이 무한대로 커지는 경향이 있다. 이 문제는 표준모형 안에서는 전혀 해결할 수가 없다. 그래서 힉스 입자의 존재 자체는 표준모형을 완성함과 동시에 표준모형을 넘어서는 새로운 물리학이 존재함을 강력히 시사한다. 과학자들은 이미 1970년대부터 갖가지 대안들을 연구해왔는데 초대칭성이 유력한 대안 중 하나이다. 또한 표준모형이 20세기의 모범답안임에는 분명하지만, 최근의 우주 관측 결과에 따르면 우주에는 그 정체를 알지 못하는 (표준모형으로 설명할 수 없는) 암흑물질이 약 23%나 존재한다. 암흑물질의 존재는 새로운 물리학이 필요한 또 다른 중요한 이유이다. 과학자들이 LHC에 기대를 거는 것도 이 때문이다. 대부분의 과학자들은 LHC에서 새로운 물리학의 신호도 포착할 것으로 기대한다.
