힉스 (발견되지안은 가상의 소립자)

 

 

힉스입자 [Higgs boson]과학/기술 | 시사용어사전 

상세내용

입자의 존재를 예언한 물리학자 피터 힉스의 이름을 딴 것으로, 현재까지 물질을 구성하는 기본입자 중에서 유일하게 관측되지 않은 가상의 입자. 입자의 '표준모형'에 의하면 세상은 기본입자 12개와 힘을 전달하는 매개입자 4개, 그리고 힉스입자(Higgs boson)로 구성된 17개의 작은 입자(소립자)로 이뤄져 있다.

표준모형이 만들어진 후 40년 동안 물리학자들에 의해 16가지 입자는 찾아냈지만, 힉스입자만 유일하게 관측되지 않아 가상의 입자로 남아 있다. 또한, 표준모형에서 유일한 스칼라 입자로서 기본입자들과의 상호작용을 통해 다른 모든 입자들에 질량을 부여하는 역할을 하기 때문에 이에 힉스입자를 신이 숨겨 놓은 '신의 입자'라고도 한다. 세계 물리학자들은 2008년 9월 거대강입충돌(LHC) 장치를 완공하여 힉스입자의 존재를 확인함으로써 물리학계에서의 '입자의 표준 모형'을 완성하고자 노력하고 있다.

 

神의 입자 ‘힉스’ 흔적 발견… 비밀의 門 99.9% 다가갔다

유럽입자물리硏 공개세미나… 137억년전 우주탄생 드디어 베일 벗나

 

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[과학세상/박인규]神의 입자로 불리는 ‘힉스 입자’

동아일보|

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입력 2011.12.14 03:10

|수정 2011.12.14 03:17

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2009년 여름 국내에서도 톰 행크스 주연의 '천사와 악마'라는 영화가 상영됐다. 영화는 스위스 제네바의 유럽핵입자물리연구소와 바티칸시국을 배경으로 펼쳐진다. 갈릴레이 이래 로마 가톨릭교회의 탄압을 받던 한 과학자 집단이 반물질 폭탄을 만들어 바티칸을 위협한다는 내용이다. 주인공 톰 행크스(랭든 교수 역)가 이 과정에서 '신의 입자' 이야기를 듣고 흠칫 놀라며 '천지창조'에 관련된 입자를 만들고 있었느냐는 질문을 던진다.

박인규 서울시립대 물리학과 교수

신의 입자. 전문가들 사이에서는 '힉스 입자'라고 불린다. 이 눈에 보이지 않는 입자 이야기로 지금 전 세계가 떠들썩하다. 힉스 입자를 발견하면 인간은 신이 우주를 창조할 때 썼던 방정식을 알게 된다느니, 그래서 물리학의 끝을 보게 된다느니, 아니면 신의 입자가 애초에 없어서 지금까지의 물리학을 모두 다시 고쳐 써야 한다느니 등의 이야기가 퍼지고 있다.

전 세계 과학계가 왜 천문학적 비용을 들여가면서 수년에 걸쳐 이 힉스 입자를 찾고 있을까. 그리고 이 힉스 입자가 과연 무슨 입자이기에 신의 입자라고 불리는 것일까. 이야기는 지금으로부터 정확히 100년 전으로 돌아간다. 당시는 멘델레예프의 주기율표가 잘 알려져 있었고, 우리 주변의 모든 물질은 모두 80∼90개의 원자로 다 분류할 수 있음을 알고 있었다. 그리고 그 원자는 모두 깨지지 않는 기본 입자라고 여겨졌다.

이때 역사를 바꾸는 한 실험이 벌어진다. 물리학자 러더퍼드는 영국 캐번디시연구소에서 방사선의 일종인 알파 입자를 얇은 금박에 쏘아 금원자 속에 무엇이 있는지를 알아보는 실험을 진행했다. 그는 알파 입자들이 100% 금원자 속을 뚫고 지나갈 줄로만 알았다. 그런데 몇몇의 알파 입자는 예상과 전혀 다르게 뒤로 튕겨 나왔다. 원자 속에 양전기를 띤 딱딱한 원자핵이 존재함을 알리는 최초의 발견이었다. 원자핵의 존재가 알려지고, 원자가 마치 태양계와 같이 원자핵과 그 주변을 도는 전자들로 구성돼 있다는 사실에 1910년대 사람들은 그야말로 흥분의 도가니에 빠지게 됐다.

그로부터 채 반세기도 흐르기 전에 히로시마에 핵폭탄이 떨어졌고, 인간들은 핵발전소를 통해 엄청난 양의 에너지를 사용하기 시작했다. 그리고 100년 뒤인 현재 비슷한 흥분의 도가니가 신의 입자라는 이름으로 벌어지고 있다.

힉스 입자의 발견이 왜 그토록 중요할까. 현대물리학의 핵심인 '표준모형'이 사실 한 가지 치명적인 문제를 갖고 있기 때문이다. 이론에 등장하는 물질을 구성하는 기본 입자와 상호작용을 기술하는 기본 입자들이 왜 제각기 서로 다른 질량을 갖고 있는가를 설명하지 못한다는 것이다.

이에 물리학계가 내놓은 처방전이 바로 힉스장(場)의 존재다. 입자들이 존재하는 공간인 진공에 융털 카펫과 같은 가상의 힉스장이 펼쳐져 있어, 이 위를 움직이는 입자는 카펫 결의 방향과 입자들의 운동방향에 따라 서로 다른 마찰력을 받게 된다는 것. 그래서 입자들이 힉스장에 의해 서로 다른 질량을 갖는 입자로 나타나게 된다는 설명이다. 그리고 힉스장의 양자화된 모습이 바로 힉스 입자라는 것이다.

결론적으로 입자들이 질량을 갖는다는 것은 힉스장이 존재해야만 가능하다는 논리다. 그래서 만약 이 힉스장의 입자적 표현인 힉스 입자가 없다면 현대물리학의 최고 이론이라는 표준모형은 틀렸다는 의미가 된다. 입자들이 왜 질량을 갖는지에 대한 새로운 이론이 만들어져야 한다는 얘기다. 반대로 힉스 입자가 발견되면 우리가 상상하기 힘든 완전히 새로운 22세기가 만들어질 것을 확신할 수 있다. 우리가 원자핵 발견 이후 원자핵의 성질을 정밀히 연구해 완전히 새로운 세상을 만들었듯이 말이다.

박인규 서울시립대 물리학과 교수

 

인류가 137억년 전 우주탄생의 신비에 99.9%까지 다가섰다. 늦어도 내년 여름에는 결말을 보게 된다. 유럽입자물리연구소(CERN)는 13일(현지시간) 스위스 제네바에서 공개세미나를 갖고 “거대강입자가속기(LHC)에서 양성자 충돌실험을 반복한 결과 힉스 입자(Higgs boson)로 추정되는 흔적을 발견했다.”고 밝혔다. 롤프 디터 호이어 CERN 소장은 “그러나 아직 힉스 입자의 존재 여부를 확실하게 얘기할 수는 없으며, 추가실험을 통해 입증할 수 있을 것”이라고 강조했다.

이날 발표는 LHC에 설치된 4대의 검출기 중 2개인 CMS와 ATLAS를 연구하는 두 팀의 연구성과가 각각 발표된 후 이를 종합하는 방식으로 진행됐다. CMS팀은 128Gev(기가전자볼트) 대역에서 힉스 입자가 존재할 확률을 2~3시그마(95~99.7%), ATLAS팀은 126Gev 대역에서 2.3시그마(96%)로 추정했다. 하지만 이 같은 확률은 과학적 발견으로 인정받기에는 미흡하다.

CERN은 목표 확률을 5시그마(99.99994%)로 잡고 있으며, 170만번에 한 번 정도 틀리는 수준이다. 로이터는 “과학적 발견은 수백만 개의 사과가 예외없이 모두 아래로 떨어지는 것을 보고 나서야 중력이 있다고 주장할 수 있는 수준”이라며 “그중 하나라도 땅으로 떨어지지 않거나 보지 못했다면, 과학적 발견이 될 수 없다.”고 설명했다. 나머지 0.3~5% 포인트를 채우기 위한 실험에서 지금까지의 결과를 모두 부정하는 내용이 나올 수도 있다는 의미다.

다만 원리가 다른 CMS와 ATLAS에서 비슷한 수치와 결과가 나왔다는 점에서 힉스 입자의 존재를 입증하는 것은 시간문제라는 시각이 지배적이다. CERN은 “내년 여름 무렵에는 존재 여부가 확실하게 밝혀질 것”이라고 설명했다.

물리학자들은 ‘힉스 입자의 발견은 최소한 지난 100년간 최대의 과학적 성과가 될 것’이라고 입을 모은다. 힉스 입자는 137억년 전 빅뱅 직후 1000만분의1초 동안만 존재했으며, 힉스 입자 연구는 곧 우주 탄생 직후 ‘찰나’의 순간에 무슨 일이 있었는지를 연구하는 것과 같다. 특히 힉스 입자는 우주 만물을 구성하는 입자들에 각기 다른 질량과 역할을 부여한 것으로 추정된다. 그래서 ‘신의 입자’ ‘창조의 천사’ ‘우주를 만든 벽돌’이라는 별칭을 갖고 있다.

힉스 입자가 발견되면 우주 만물의 분류표인 ‘표준모형’이 옳다는 점이 입증된다. 나아가 힉스에 대한 연구가 진행되면 이론적으로는 물질 창조나 변환에 접근할 수도 있다. ‘신이 우주를 창조했다.’는 설명 대신 우주 창조를 과학으로만 설명할 가능성도 높아진다.

이 때문에 LHC에만 100억 달러가 넘는 천문학적인 돈이 투자됐다. 하지만 힉스 입자가 존재하지 않는다면 과학자들은 물리학 교과서를 처음부터 다시 써야 한다.

박건형기자 kitsch@seoul.co.kr

 

“우주 탄생 비밀 풀 힉스입자 흔적 발견”<세계일보>

 

 

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  우주 탄생의 비밀을 풀어줄 ‘힉스’ 입자의 존재 흔적이 발견됐다. 물리학계에서는 ‘신의 입자’로 불리는 힉스가 질량을 부여, 우주를 탄생시킨 핵심적 존재라고 여겨왔다.
  
  스위스 제네바 유럽입자물리연구소(CERN) 강입자가속기(LHC) 연구진은 13일(현지시간) 공개 세미나에서 힉스 입자의 흔적을 관찰하는데 성공했다고 발표했다. 이번 연구를 담당했던 곳은 아틀라스(ATLAS)와 CMS 2개 팀으로, 이들은 각자 다른 실험을 통해 비슷한 결론을 얻었다.
  
  아틀라스 실험실 운영 책임자인 파비올라 지아노티는 “저에너지 범주인 126GeV(기가전자볼트) 영역에 힉스 입자의 흔적이 집중돼 있었다”고 말했다.
  연구진은 최종 결정을 내리기에는 아직 이르지만 추가 자료를 확보하면 내년 중 결론을 내릴 수 있을 것이라고 밝혔다.
  
  힉스 입자는 우주가 처음 생겼을 때 물질이 어떻게 질량(물질이 가지고 있는 고유한 양)을 갖게 됐는지 설명하는 입자다. 1964년 영국 물리학자 피터 힉스가 제시했다. 현대 물리학의 ‘표준모형’에 따르면 모든 물질은 12개 기본 입자와 힘을 전달하는 매개 입자 4개, 입자에 질량을 부여하는 힉스 입자로 이뤄져 있다. 이중 힉스 입자만 아직까지 발견되지 않았다.
  
  과학자들은 이번 연구에서 힉스 입자의 발견 가능성이 제시된 것만으로도 우주의 비밀을 푸는 중대한 진전이 이뤄진 것이라고 평가했다. 입자물리학자 롤프 호이어는 “힉스를 향한 창이 점점 좁아지고 있다”고 말했다.
  
  이진경 기자 ljin@segye.com