소문의 진원지는 바로 거대강입자가속기가 있는 스위스 유럽입자물리연구소. 힉스 입자를 찾은 것 같다고 추측한 유럽입자물리연구소의 내부 문건이 외부로 유출되며 사실이 왜곡된 것이었다.
향후 물리학의 판도를 좌지우지할 핵심 키워드로 꼽히는 힉스 입자란 대체 무엇이며 그것은 과연 언제쯤 우리 앞에 실체를 드러낼까.
힉스 입자(Higgs Boson)는 모든 물질의 질량을 결정하는 것으로 추정되는 가상의 입자다. 질량의 기원과 우주 생성 비밀을 밝혀낼 단서가 된다는 점에서 물리학의 핵심 키워드라 할 수 있다.
지난 1964년 영국의 물리학자 피터 힉스가 처음 주창한 이래 오랫동안 전 세계 유수의 물리학자 들은 힉스 입자를 찾기 위한 연구에 매진해 왔다. 이론이 아닌 실재에서 그 존재를 증명하기 위함이었다. 하지만 피터 힉스의 가설이 발표된 지 벌써 50년에 가까운 세월이 흐르도록 힉스 입자는 여전히 두터운 베일에 싸여 있다.
빅뱅 직후 상태 재현
피터 힉스가 주창한 가설의 핵심은 힉스 입자와 얼마나 많은 작용을 하느냐에 따라 각 물질의 질량이 결정된다는 것 이다. 상호작용이 강할수록 그 질량은 무거워진다.
인류의 과학적 지식에 따르면 질량이 없는 물질은 존재하지 않는다. 빛을 제외하고는 말이다. 만일 최초의 우주에 이미 질량을 가진 물질이 있었다면 빅뱅 이론은 그대로 붕괴되는 것이다.
태초의 우주가 진공상태의 한 점으로부터 대폭발을 일으켜 시작됐다는 빅뱅 이론에 따르면 현존하는 모든 물질을 비롯해 지구와 인류조차 이러한 과정에서부터 비롯됐으며 지금 이 순간에도 우주는 끊임없이 팽창해 가고 있다. 그러므로 빅뱅 이전의 진공이란 곧 아무것도 존재하지 않는 무(無)의 세계를 말한다.
결국 무의 상태에서 빅뱅을 통해 질량이 만들어졌다는 것을 입증해야 하는데 바로 그 점을 증 명해줄 수 있는 것이 힉스 입자다.
현재 대부분의 학자들은 하루 빨리 힉스 입자가 발견되기를 학수고대하고 있다. 하지만 그 존재 여부는 아직 미지수다.
어쩌면 힉스 입자가 존재한다는 애초의 가설 자체가 수정될지도 모를 일이다. 힉스 입자가 아예 없거나 둘 이상일 가능성도 완전히 배재할 수 없다.
힉스 입자가 발견되면 물질을 구성하는 입자와 이들 사이의 상호작용을 밝힌 현대 입자물리학 이론인 표준모델 (Standard Model)이 증명되지만 만약 힉스 입자가 존재하지 않는다면 이는 전면적으로 수정돼야 한다. 우리가 알고 있던 물리학의 기본 틀 자체를 완전히 바꿔야 한다는 얘기다.
그렇다면 어떻게 힉스 입자를 찾을 수 있을까. 힉스 입자는 매우 높은 에너지 상태에서만 존재하기 때문에 자연상태에서 그냥은 볼 수 없다.
지금으로선 거대한 입자가속기로 입자를 충돌시켜 임의로 힉스 입자를 생성하는 것이 유일한 검증 방법이다. 힉스 입자는 생성되자마자 다른 입자들로 붕괴되는 것으로 알려져 있는데 이 붕괴된 입자들을 분석함으로써 힉스 입자의 존재를 밝혀낼 수 있다.
이런 가운데 스위스 제네바 근방의 유럽입자물리연구소(CERN)에서 거대강입자가속기(Large Hadron Collider, LHC)를 만들었다.
인류 과학사상 가장 거대한 스케일의 실험장치로 꼽히는 LHC는 두 개의 입자 빔 (proton beam)을 광속에 가까운 속도로 충돌시킴으로써 엄청난 에너지를 발생, 빅뱅 직후 1조분의 1초 상태의 재현을 목적으로 한다. 태초의 순간으로 돌아가서 우주를 다시 보고자 하는 것이다.
이것이 이뤄진다면 힉스 입자도 나타날 가능성이 있다. 또한 이를 통해 나타난 또 다른 현상들을 거대한 고성능 감지기로 관찰, 여러 중대한 과학적 이론들도 함께 밝혀낼 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 힉스 메커니즘을 비롯해 블랙홀, 평행우주, 초대칭 짝입자, 암흑물질 등의 실존 여부 등이 그 주요 관심사다.
힉스 입자 발견 확률 90%?
스위스와 프랑스 국경지대의 지하 약 100m 깊이에 설치된 LHC는 직경 27㎞의 원형 터널로 이루어져 있다. 충돌기는 지하에 있고 충돌기 위 지상에는 통풍시설 등 보조적인 역할을 수행하는 설비들이 구축돼 있다. LHC가 입자가속을 위해 낼 수 있는 최대 에너지는 현재 7테라전자볼트(Tev)로 최종 목표치는 14TeV다.
LHC의 설계와 연구에는 1994년부터 전 세계 85개국에서 1만명이 넘는 물리학자들이 대거 참여했다. 또한 약 60억 유로에 달하는 연구비가 투입됐다. 동원된 모든 기술은 당연히 현존 최첨단이다. 액체 헬륨을 이용해 긴 가속기 전체를 우주공간보다 낮은 -273.16℃의 극저온 상태로 유지하는 기술, 빛의 속도에 가깝게 날아가는 입자 빔을 정밀 제어하는 기술, 전 세계 컴퓨터 네트워크를 이용하는 그리드 컴퓨팅 등 LHC는 현대 최첨단 과학기술의 집합체와도 같다.
특히 LHC의 터널에는 무게가 개당 10톤이 넘는 초전도 자석이 1,200개나 설치돼 있다. 니오븀(Nb)과 티타늄(Ti)으로 만들어진 이 자석들은 지구의 20만배에 달하는 자기장을 생성한다. 전기저항은 거의 없이 말이다. 이 같은 거대 자기장의 힘으로 입자의 방향을 터널을 따라 원형으로 휘게 하면서 빛의 속도까지 가속시킬 수 있다.
최초의 LHC 충돌 실험은 작년 8월 이뤄졌다. 당시 나타난 여러 현상들에 대해서는 아직 연구가 진행 중인 것으로 알려진다. 그러나 지금까지 이렇다 할 소식이 없어 학자들의 애를 태우고 있다. LHC는 과연 우리의 기대대로 힉스 입자를 발견해낼 수 있을까. 그리고 그 가능성은 얼마나 될까.
2008년 파퓰러사이언스는 이 논제를 풀기 위해 전 세계의 주요 입자가속기 관련 연구자들을 대상으로 설문조사를 실시한 바 있다. 그 결과, 힉스 입자의 발견 확률은 90%로 높게 나타났다.
조사에 참여한 이탈리아 파도바대학의 유명 입자물리학 자 토마소 도리고 박사는 "지인들과의 내기에서 LHC가 힉스 입자 외에는 그 어떤 것도 찾아내지 못한다는 데 1,000달러를 걸었다"고 밝히기도 했다. 그리고는 자신의 이런 예상이 꼭 빗나가기를 바란다고 덧붙였다.
하지만 이후 영국의 이론물리학자 스티븐 호킹 박사가 내놓은 예상은 다르다. 그는 "LHC의 에너지는 세계에서 가장 세고, 힉스 입자를 발견하기에는 충분한 수준"이라면서도 "힉스 입자가 발견되지 않는다는 데 100달러를 걸었다"며 다소 회의적 반응을 보인 것이다.
한편 당시 조사에서는 우주의 90% 이상을 차지하고 있는 것으로 확인됐지만 아직 실체가 증명되지 않은 암흑물질의 존재 규명 확률이 60%, 우주의 모든 입자는 자신과 대칭성을 지닌 짝을 갖고 있다는 초대칭성(Supersymmetry) 이론의 실체 확인 가능성은 42.8%로 예견됐다.
그리고 평행 우주나 우주 내파(cosmic implosion)는 발견 확률이 각각 1,000만분의 1과 1구골(10의 100승)분의 1에 불과해 LHC로도 존재를 규명키 어려운 대상으로 꼽혔다.
블랙홀 생성 가능성 극히 낮아
여기서 또 한 가지 LHC를 통해 밝히고자 하는 중요한 목표 중 하나가 있다. 바로 블랙홀이다.
학자들은 LHC 실험에서 빛의 속도에 가깝게 가속된 양자는 막대한 에너지와 질량을 가지며 충돌하는 순간 시공간을 왜곡하는 블랙홀이 생성될 개연성이 있다고 예측한다. 이 때문에 많은 사람들은 LHC 실험에 적잖은 우려를 표명한다.
실험 도중 엄청난 힘으로 시공간을 왜곡하는 블랙홀이 형성돼 지구가 그 속으로 빨려들며 붕괴될 수도 있다는 데 따른 우려다. 그래서 당장 LHC 실험을 중지해야 한다는 의견도 심심찮게 터져 나온다. 그러나 입자가속기 관련 연구자들은 LHC가 블랙홀을 실제로 만들어낼 확률을 0.1% 정도로 매우 낮게 추정한다.
불가능은 아니지만 실현되기에는 꽤 낮은 수치다. 특히 CERN은 일반인들의 우려를 인식한 듯 만약 LHC가 블랙홀을 생성시키더라도 지구가 빨려들어가는 등의 위험천만한 상황이 벌어질 가능성은 전혀 없다고 누누이 피력하고 있다.
국내 대다수 학자들의 견해도 이와 유사하다. 고에너지 중이온 충돌실험을 통한 우주 최초의 물질 상태를 연구 중인 부산대 물리학과 유인권 교수 역시 "관측 가능한 블랙홀의 형성 가능성은 극히 낮다"고 단언했다.
아울러 "그 영향이 우리가 느끼지 못할 정도로 미미한 수준이라면 사실상 블랙홀이라 해도 별 의미는 없다"고 덧붙였다.
강력한 파워를 지닌 제대로 된 블랙홀이 형성되기 위해서는 최소 태양의 3~4배에 이르는 막대한 크기의 질량이 요구된다. 하지만 LHC가 만들어낼 수 있는 블랙홀은 소금 입자 무게의 10의 -18승에 불과한 것으로 알려진다.
때문에 어떤 작용을 일으킬 수 없을 만큼 아주 짧은 찰나의 순간에만 존재했다가 급속히 사라진다. 이는 '호킹 복사(Hawking radiation)' 이론으로도 설명 가능하다. 호킹 복사는 1974년 스티븐 호킹 박사가 주창한 것으로 블랙홀도 모든 물질을 빨아들이기만 하지 않고 입자를 방출하기도 하며 그로 인해 질량과 에너지를 잃어버리므 로 결국에는 증발해 없어질 수 있다는 이론이다.
결론적으로 LHC의 블랙홀이 전 지구적 재앙을 일으킬 것이라는 예측은 최소한 현 인류의 과학지식으로는 쓸데없는 걱정에 불과하다.
블랙홀 이외에 제기되고 있는 LHC 연구로 인해 일어날 수 있는 위험성, 다시 말해 일반 물질보다 안정적인 수상한 물질(Strange matter)이나 양성자 붕괴를 유발할 수 있는 자기홀극(magnetic monopoles)의 생성, 그리고 다른 양자 역학적 진공으로의 전이 등도 안심해도 될까. 유 교수는 대중들이 우려하는 사태는 결코 일어나지 않을 것이라고 못 박았다.
"이 같은 담론은 대형 가속기가 건설될 때마다 늘 있어왔던 것입니다. 하지만 과거 역사를 돌이켜 보면 그 어떤 위험한 일도 발생한 적이 없고, LHC도 현재 별 무리 없이 가동되고 있습니다. 우리 학자들이 파악하고 있는 과학적 사실을 놓고 봤을 때 결코 큰 일은 일어나지 않을 것입니다."
힉스입자가 발견됐다?
최근 LHC는 전 세계 학자들을 들썩거리게 만들었다. 힉스 입자가 검출됐다는 소식 때문이었다. LHC를 이용한 양성자 충돌실험 결과, 115기가전자볼트(GeV) 영역에서 빛을 양자화 한 광자 입자들이 예상치보다 다량 검출됐고 이 광자들은 힉스 입자의 붕괴 과정에서 나온 것으로 추정된다는 CERN의 내부 문건이 인터넷의 한 블로그에 공개된 것이다. 해당 블로그에는 즉각 수백 건의 댓글이 달렸다.
안타깝게도 이 소식은 단순 해프닝으로 종결됐지만 CERN의 최근 발표에 따르면 LHC의 광선 강도(beam intensity)는 한층 높아지고 있는 상황이다. 광선 강도가 높을수록 입자의 충돌이 잦아져 힉스 입자를 비롯한 새로운 발견의 가능성이 커진다. 이에 학자들은 힉스 입자의 노출 가능성을 미리 점치기도 한다.
하지만 유 교수는 "힉스 입자가 정말 나올지 확신하기에는 아직 데이터의 양이 부족한 상황"이라며 조심스런 입장을 취했다.
그는 "현재는 힉스 입자가 존재하지 않을 것이라는 가능성을 배제하는 경향이 크다"며 "이 모든 가능성을 참작해 제대로 된 통계가 취합되기까지는 시간이 꽤 걸릴 것"이라고 설명했다. 적어도 LHC 실험을 3년 이상은 더 지켜봐야 판단할 수 있을 것이라고 한다.
현재 학자들은 LHC에 이어 미국과 유럽을 중심으로 한 새로운 설비인 국제선형가속기(International Linear Collider, ILC)를 구상 중이다. ILC는 원형이 아닌 직선형으로 지어질 예정이다. 그래서 LHC보다 한 차원 더 높은 에너지로 입자를 충돌, 힉스 입자의 발견 가능성을 높인다는 것. 하지만 ILC의 구체적인 건설 계획은 아직 확정되지 않은 상태다.
우리나라도 대용량 양성자가속기를 개발, 2012년 경주에 설치할 예정에 있다. 다만 이는 중성자 생산 등 의료용·산업용으로 활용될 수 있을 뿐 LHC처럼 입자를 빛의 속도까지 가속, 힉스 입자를 찾아내는 데 쓰이기에는 어려운 수준이다. 경주의 가속기 속도는 LHC의 1만분의 1인 1GeV에 그칠 것으로 알려져 있기 때문이다.
오늘날 힉스 입자에 대한 궁금증은 이처럼 갈수록 커지고 있는 실정이다. 그만큼 이를 규명하기 위한 전 세계 학자들의 노력도 한층 절실해졌다. 과연 힉스 입자는 언제쯤 그 실체를 드러낼까.
우리가 꿈꾸는 '우주 인류 시대'의 미래는 어쩌면 이 작은 입자의 손에 달려 있다고 해도 그리 허언은 아닐 것이다.
▩ 우주보다 차갑고 공허한 LHC 터널
전도 자기 시스템은 LHC의 핵심 기술이다. 터널에는 개당 무게가 10톤이 넘는 1,200개 이상의 초전도 자석이 설치돼 있다. 이 초전도 자석들은 지구 자기장의 20만배에 달하는 자기장을 만들어낸다.
바로 이 같은 거대 자기장의 힘으로 입자의 방향은 원형으로 휘게 되고 입자 빔의 속도는 광속의 99.9999991%에 달하게 된다. 전원은 자석에 1만2,000암페어의 전류를 흘려주고 이로써 액체 헬륨을 끊임없이 흐르게 해 내부 온도를 -273.16℃의 극저온 상태로 유지시킨다.
그 결과 LHC의 터널은 우주보다 더욱 차갑고 공허한 곳이 된다.
▩ 표준모델
모든 물질은 입자로 이뤄져 있으며 각 물질은 12개의 페르미온(물질입자 또는 구성입자)과 4개의 보존입자(힘입자 또는 매개입자)로 구성돼 있다고 한다.
이들 입자와 빅뱅 이론 사이의 관계를 통해 우주 생성의 표준모델이 만들어졌다.
이 모델에 따라 16개의 소립자들은 모두 발견됐지만 이 기본 입자들의 질량을 결정하는 힉스 입자는 아직 그 정체를 드러내지 않았다. 따라서 힉스 입자의 존재만 확인되면 표준모델은 완벽한 이론으로 완성될 수 있다.
▩ CERN의 최대 고민은 전기료?!
LHC의 가동에는 엄청난 전기가 필요하다. 눈에 보이지 않는 초미세 입자를 광속의 속도로 가속해야 하니 그만큼 큰 에너지가 소요되는 것은 어찌보면 당연지사다.
전력 소비량이 가장 많은 부분은 초전도 자석들을 -273.16℃의 극저온 상태로 냉각하는 데 사용되는 초전도 장치. 이 장치는 입자가 가속기의 원형 터널을 따라 움직이도록 만드는 데 무려 27.5㎿의 전력을 소모한다. 그리고 입자들의 충돌 결과를 읽어 들이는 네 개의 감지기 운용에도 약 22㎿의 전력이 사용된다.
CERN은 LHC가 이렇게 총 120㎿ 규모의 전력을 사용하는 것으로 보고 있다. 그리고 연구소 전체의 전력 사용량까지 합하면 최대 180㎿에 달할 것으로 추정한다.
그렇다면 이처럼 막대한 전력을 해당지역 전력망을 통해 모두 충당할 수 있을지 의문이 들 수 있다. 혹시라도 인근지역에 정전사태가 빈발하지는 않을까.
이에 대해 CERN은 LHC가 필요로 하는 전력은 제네바 전체의 10%에 불과해 전력 부족으로 정전될 가능성은 희박하다고 설명한다. 그리고 오히려 예전의 가속기인 대형 전자-양전자 충돌기(LEPC)과 비교해 전력 사용량을 9% 낮출 수 있다고 말한다.
그러나 이로써 문제가 완전히 해결된 것은 아니다. CERN의 진짜 걱정은 따로 있다. 바로 이처럼 막대한 전기를 사용하는 대가로 당연히 지불해야 하는 전기료가 그것이다.
정확히 얼마나 많은 전기료를 내고 있는지는 알려지지 않고 있지만 이 정도 전력 사용량이면 LHC의 최대 수혜자 명단에 전력회사를 올려놓아도 무방하지 않을까.
박소란 기자 psr@sed.co.kr
