21세기 물리학의 방향을 결정하는 ‘힉스 입자'

21세기 물리학의 방향을 결정하는 '힉스 입자'

20세기 초까지 물리학자는 원자가 가장 기본적인 입자이며, '중력'과 '전자기력'에 의하여 우주의 모든 현상이 지배되고 있다고 생각했다.

그러나 1911년 러더퍼드 (E. Rutherford; 1871~1937)가 원자 안에서 원자핵을 발견한 후, 차츰 원자의 계층 구조를 알게 되었다.

원자핵은 양성자(陽性子,proton)와 중성자(中性子, neutron)로 되어 있고, 양성자와 중성자는 또 쿼크(quark)라는 소립자(素粒子, elementary particle)로 되어 있다는 것을 알게 되었다.

달이 지구 주위를 돌고 있는 것도 높은 곳에서 물체가 떨어지는 것도 모두 '중력'이 작용하기 때문이다.

또 자석의 N극과 S극이 서로 잡아당기고, 전극의 플러스와 마이너스가 서로 잡아당기는 현상은 모두 '전자기력'의 작용에 의한 것으로 생각되고 있다.이렇게 '중력'이나 '전자기력'은 일상 생활에서 쉽게 느낄 수 있다. 물체에 작용하는 힘에는 그밖에 또 무엇이 있을까? 현재의 물리학에서는 중력과 전자기력 외에 '강력(强力)'과 '약력(弱力)'이라는 힘이 있다고 보고 있다. 이 두 힘이 어떤 것인가를 상상할 수 있을까?

이 두 힘은 당연히 상상할 수 없다.물리학에서 생각하고 있는 '강력'과 '약력'은 원자핵의 내부에서, 원자핵의 크기 정도의 매우 짧은 거리에서만 작용하는 힘이다. 따라서 이 두 힘은 우리의 일상 생활에서는 느낄 수 없다. 현재의 물리학에서는 쿼크와 렙톤(경입자, lepton)이 가장 기본적인 입자이고 '전자기력' '약력''강력''중력'의 네 힘이 자연계의 현상을 지배하고 있는 것으로 보고 있다.

그러나 물리학자는 현재의 이론이 궁극적인 것으로는 보고 있지 않다. 현재의 물리학에서는 중력은 '일반 상대성 이론', 전자기력 은 '양자 전기 역학 이론' 이라는 식으로, 네 힘을모두 다른 이론으로 설명하고 있다. 그러나 현재의 네 힘은 아직 해명되지 않은 하나의 힘이 다른 힘으로서 보이는 것으로, 각각의 힘 사이에는 무엇인가 관계가 있을 것으로 생각되고 있다.

그리고 그 관계를 해명하고, 네 힘 모두를 설명할 수 있는 이론이야말로 궁극의 이론이라고 물리학자들은 생각하고 있다. 그러한 궁극의 이론을 향하여 세계의 물리학자가 지금 가장 관심을 쏟고 있는 것이 '힉스 입자'의 발견이다. 현재의 이론에서 예언되어 있으면서도 아직도 발견되지 않은 이 입자가 21세기 물리학의 방향을 좌우한다고 보고 있기 때문이다.




소립자 물리학의 발단이 된 러더퍼드의 실험

20세기가 될 때까지 물리학자는 원자가 그 이상 나눌 수 없는 가장 기본적인 입자라고 생각하였다.

그 상식을 깬 것이 바로 뉴질랜드 태생의 영국 물리학자 러더퍼드이다. 1896년 프랑스의 물리학자 베크렐(A.H.Bequerel;1852~ 1908)이 우라늄이 방사선을 방출하고 있다는 것을 발견하였다.이것이 방사능의 발견이다. 그 후 많은 물리학자가 방사능과 방사선의 정체를 조사하기


위한 실험에 착수하였다. 러더퍼드는 1899년, 우라늄에서 나오는 방사선에 2종류가 있다는 것을 발견하고 각각 '알파선'과 '베타선'이라고 이름 붙였다. 알파선은 물질을 투과하기 어렵고, 베타선은 물질을 잘 투과한다.

러더퍼드는 알파선이 물질과 어떻게 작용하는가를 조사하는 실험을 하고 있었다. 그와 그의 제자들은 금의 얇은 막에 알파선을 쬐고 그것이 어떻게 작용하는가를 조사하려고 하였다. 다른 금속에 비하여 금은 매우 얇게 만들 수가 있다. 알파선은 물체를 투과하기 어렵기 때문에 얇은 것을 사용할 필요가 있었던 것이다.

러더퍼더는 알파선의 정체를 방사성 물질에서 나오는 입자라고 생각하여 그 입자를 '알파 입자'라 불렀다. 실험에서 알파선은 거의 전부가 금의 얇은 막을 그대로 지나갔다. 그러나 러더퍼드의 제자들은 실험을 계속하는 동안에, 아주 소수이지만 다시 튀어나오는 알파 입자를 발견 하였다.

그 보고를 받았을 때 러더퍼드는 "얇은 종이에 포탄을 발사했을 때 그 포탄이 되돌아오는 것과 같은 정도로 믿을 수가 없는 일이었다."고 말하였다. 러더퍼드 자신도 전혀 예기치 않았던 사건이 일어난 것이다. 거의가 금속의 막을 통과하고 아주 극소수만이 다시 튀어나온 것은 무엇 때문일까?

그 이유를 러더퍼드는 '원자 안에는 원자 전체의 크기보다도 훨씬 작고, 또 알파 입자 보다도 무거운 원자핵이 있다. 이것과 충돌하여 알파 입자가 되돌아 온 것이 아닐까? 라고 생각하였다. 실험의 결과를 통하여 러더퍼드가 계산하였더니 그것은 원자 크기의 1만 분의 1이라는 작은 것이었다. 이렇게 해서 기본적인 입자로 생각되고 있었던 원자에 내부 구조가 있다고 물리학자는 생각하게 된 것이다.




채드윅의 중성자 발견으로 원자핵 안에서 작용하는 힘이 문제가 되었다

러더퍼드의 실험은 원자핵에 알파 입자를 충돌시킴으로써 원자핵을 살피는 방법이었다. 이 방법은 그 후의 소립자 물리학의 실험의 시초라고 할 수 있는 것이다. 즉 입자에 입자를 충돌시켜 그 반응을 보는 것이 소립자 물리학 실험의 기본적인 방법인 것이다.

러더퍼드는 그의 스승인 톰슨(J.J.Thomson;1856~ 1940) 의 뒤를 이어 1919년 영국의 케임브리지 대학 캐번디시 연구소의 교수가 되었다. 그 때의 그의 연구소에서는 우수한 연구자가 몇 명 나왔다. 그 중 한 사람이 현재 '중성자'라 불리는 입자를 발견한 채드윅 이다.

많은 물리학자가 방사능의 정체를 밝히기 위해 다양한 실험을 하고 있었다. 그 가운데서 프랑스의 물리학자 졸리오 퀴리(Joliot Curie)는 1932년, 원자 번호 4인 베릴륨(Be) 원자에 알파 입자를 충돌시키면 투과성이 높은 정체 불명의 방사선이 튀어 나온다는 것을 처음으로 발견하였다.

채드윅은 그 정체를 살피기 위하여 실험을 하였고, 그 결과 현재 중성자라 불리는 입자를 발견한 것이다. 채드윅이 발견한 입자는 질량이 양성자와 거의 같고, 전하가 0인 입자였다. 전하가 없으므로, 즉 전기적으로 중성이므로 그 입자는 중성자라 불렸다. 그는 그 발견으로 1935년에 노벨 물리학상을 받았다. 그의 발견으로 원자핵이 양성자와 중성자로되어 있다는 것이 밝혀지게 되었다.

그리고 양성자와 중성자, 또 이미 발견되어 있던 전자가 가장 기본적인 입자로 여겨지게 되었다. 그러나 원자핵이 몇 개의 입자로 구성되어 있다는 점은 물리학자들의 머리를 괴롭히는 문제를 등장시켰다. 그것은 양성자와 중성자가 도대체 어떻게 결합하여 원자핵을 구성 하고 있느냐 하는 문제이다.

양성자의 전하는 +1, 중성자의 전하는 0이므로, 양성자끼리, 또는 양성자와 중성자가, 전기의 힘보다도 훨씬 강한 힘으로 서로 당겨 원자핵을 형성 하고 있을 것이라고 물리학자들은 생각하였다. 거기에 주목하여 획기적인 아이디어를 낸 것이 일본에서는 처음으로 노벨 상을 받은 유카와 히데키이다.




당시는 관심 밖이었던 유카와 히데키의 획기적인 아이디어

'전자기력'이 아니라면 양성자와 중성자를 결합하고 있는 힘은 대체 무엇일까? 정체 불명의 그 강한 힘은 '핵력(核力)'이라 불렸다. 그렇다면 핵력의 정체는 무엇가? 유카와는 이 점에 집중하여 혼자 힘으로 연구를 진행시키면서 시행 착오를 거듭하고 있었다.

원자의 퍼짐에 비하여 원자핵은 매우 작다. 만일 원자의 크기가 야구장 정도(지름 약 100m)라면, 원자핵의 크기는 약 1cm가 된다. 즉 원자의 크기에 비하여 매우 좁은 곳에서 양성자와 중성자가 잡아당겨 붙어 있는 것이다. 이러한 양성자와 중성자 사이에는 무엇인가 비밀이 있을 것이라고 유카와는 생각하였다.

양성자와 중성자가 서로 끌어당기기 위해서는 양성자와 중성자 사이에 힘이 전달 되어야한다. 그리고 힘을 전달하는 무엇인가가 있어야 한다. 그 '무엇인가'를 유카와가 생각한 것은 1934년 9월 21일이다. 유카와는 '미지의 입자가 양성자나 중성자를 붙이는 접착제의 역할을 하고 있는 것이 아닐까'하고 생각하였다.

'양성자와 중성자가 눈에 띄지 않는 속도로 입자를 잡음으로써 서로의 사이에 힘이 전달되어 서로 끌어당기고 있다.'고 본 것이다. 양성자에서 방출된 입자가 중성자에 흡수되고, 한편 중성자에서 방출된 입자가 양성자에 흡수되는 것이 아닐까? 그것이 매우 빠른 속도로 반복됨으로써 서로가 끌어안게 되는 것이 아닐까 하고 유카와는 생각하였다.

또 그 힘이 원자핵 안에서만 작용한다는 점에서 교환되는 입자의 질량을 계산하였는데, 그 질량은 전자의 약 270배 라는 결과가 나왔다. 이것은 양성자와 전자의 중간의 무게이므로 유카와는 그 미지의 입자에 '중간자(中間子, meson)'라는 이름을 붙였다.

이러한 그의 생각은 핵력의 '중간자론'으로서 1935년에 발표되었다. 그러나 중간자론은 잠시 동안 물리학자의 관심 밖의 존재였다. 우주로부터는 계속해서 입자가 지상으로 내리쏟아지고 있다. 1947년 영국의 실험물리학자 파우엘(C.Powell;1903~ 1969)은 사진 건판을 사용하여 그러한 입자를 관측하면서 연구를 하고 있었다.

우주에서 오는 입자가 사진 건판을 지나면 그 지나간 흔적을 따라 감광된다. 그 사진 건판을 현상한 다음에 그 자국의 진함과 굽은 방식 등을 현미경으로 조사함으로써 파우엘은 입자의 성질을 조사하였다. 파우엘은 그렇게 관측한 입자 중에서 전자의 약 270배의 질량을 가진 입자를 발견하였다. 그리고 그 입자를 유카와가 예언한 중간자라고 생각하였다.

파우엘의 발견으로 물리학자들은 유카와의 중간자론이 맞다고 생각하게 되었다. 파우엘의 발견이 있은 지 2년 후인 1949년에 유카와는 노벨 물리학상을 받았다. 유카와는 힘이 입자를 서로 교환하는 '교환력'이라는 발상에서 생각한 것이다.

이 상은 현재의 통일 이론과 연결되어 있다. 즉 모든 힘에는 힘을 전달하는 역할을 하는 입자가 있다고 현재의 물리학에서는 생각하고 있다. 예를 들면 전자기력에서는 '광자(光子)'라는 입자가 '중력'에서는 '중력자(重力子)'라는 입자가 각각의 힘을 전달하고 있다고 보고 있다.




인공적으로 입자를 충돌시켜 원자핵을 다른 원자핵으로 바꾸는 일에 성공

러더퍼드가 원자핵을 발견했을 때의 실험은 자연계에 존재하는 방사선을 이용한 것이 었다.

그 후 입자를 인공적으로 가속하여 원자핵에 충돌시켜 그 반응을 보기 위한 입자 가속기가 만들어졌다. 최초의 장치는 러더퍼드의 제자인 콕크로프트(J.D.Cockcroft; 1897~1967) 와 월턴

(E.T.Walton;1903~)에 의하여 만들어졌다. 장치에 의한 실험이 실시된 것은 채드윅이 중성자를 발견한 것과 같은 1932년의 일이다. 이 최초의 가속기의 구조는 간단했다. 전기를 띤 입자를 2장의 전극 사이에 넣으면 양성자와 같은 양전기를 띤 입자는 음전극 방향으로 잡아 당겨진다.
반대로 전자처럼 음전기를 띤 것은 양전극 방향으로 잡아 당겨진다. 결국 입자를 전기의 힘으로 잡아당김으로써 가속하는 것이다. 그 후 많은 전극을 배열한 장치가 고안되었다. 입자가 하나의 전극을 지났을 때 다음 전극의 전하가 그 입자를 끌어당기도록 해 놓으면 입자를 계속 가속시킬 수 있다.

그렇다면 콕크로프트는 왜 입자를 가속시킨 것일까? 원자핵에 양성자를 충돌시키려면 양쪽 다 양전기를 가지고 있기 때문에 전기의 힘으로 반발하여 접근하지 못한다. 그러나 가속하여 양성자가 가지는 에너지가 반발하는 힘을 이길 정도가 되면, 양성자와 원자핵이 충돌한다.

그러면 원자핵이 무너지고 파편의 입자가 나타나는 것이다. 콕크로프트의 실험에서는 원자 번호 3인 리튬(Li)의 원자핵에 양성자를 충돌시킨 결과 헬륨(He)의 원자핵이 나타났다. 당시의 물리학자들은 입자 가속기로 미시의 세계에 대한 더욱 많은 정보와 깊은 이해를 얻게 될 것으로 예상했다.

그러나 그 반대로 그들을 어렵게 만드는 일이 생겼다. 입자를 더 많이 가속할 수 있도록 가속기의 성능이 향상됨에 따라 기본적인 입자라고 생각 되었던 양성자나 중성자의 무리가 차례 차례로 발견되었기 때문이다.




겔만과 츠바이크가 제창한 최신 물리학이 생각하는 소립자 '쿼크'

실험이 진전됨에 따라 양성자나 중성자의 무리라고 물리학자들이 생각한 입자가 100종류 이상이나 발견되었다. 자연계를 구성하고 있는 가장 기본적인 입자에 이렇게 많은 종류가 있는 것일까? '아니, 그렇지 않을 것이다.'라고 물리학자들은 생각하였다.

그래서 발견된 많은 입자는 소수의 기본적인 입자의 조합에 의하여 형성되고 있는 것이 아닌가 하고 생각하게 되었다. 그리고 1964년, 양성자나 중성자 등의 입자가 더욱 기본적인 '쿼크'라는 입자로 구성되었다는 설이 미국의 겔만(M.GellMann; 1929~)과 츠바이크(G.Zweig)에 의하여 각각 독자적으로 제창되었다.

'쿼크'는 겔만이 아일랜드의 소설가 제임스 조이스의 시에서 따서 붙인 이름이다. 겔만과 츠바이크는 '양성자나 중성자는 세 개의 쿼크로 되어 있다.'고 생각하였다. 또 양성자의 전하를 1로 하면, '쿼크는 2/3이나 1/3이라는 분수의 전하를 가지고 있다.고 생각하였다. 양성자나 전자의 전하에 대해서 분수의 전하를 가진 입자라는 것은 그 때까지는 없었던 생각이다

. 겔만과 츠바이크는 처음에 쿼크의 종류를 '업(up)''다운(down)' 등으로 이름한 3종류로 생각하였는데, 현재의 물리학에서는 6종류의 쿼크가 존재하는 것으로 보고 있다. 그리고 전자를 포함한 6종류의 '렙톤'이라 불리는 입자와 함께 가장 기본적인 소립자라고 생각 되고 있다.

양성자는 다운 쿼크 1개와 업 쿼크 2개로, 중성자는 다운 쿼크 2개와 업 쿼크 1개로 되어 있는 것으로 보고 있다. 다운 쿼크의 전하는 -1/3, 업 쿼크의 전하는 2/3 이므로 양성자의 전하가 1, 중성자의 전하가 0이 된다고 생각한다.

양성자나 중성자에서 쿼크를 결합시키고 있는 힘은 '글루온(gluon)'이라 불리는 입자를 포착함으로써 전달된다고 생각하게 되었다. 그리고 이 힘이 양성자와 중성자를 결합 시키고 있는 '핵력'의 진짜 담당자임을 알게 되었다. 그 힘을 물리학에서는 '강력'이라고 부른다. 입자 가속기에 의한 실험의 결과, 현재의 물리학의 이론에서는 '강력'은 '전자기력'보다 100배 정도 강하다고 보고 있다.




'전자기력' '약력' '강력' '중력'의 네 가지 힘이 자연계를 지배한다

현재의 물리학에서는 우주에 '전자기력''약력''강력''중력'의 네 힘이 있다고 보고 있다. 쿼크를 결합시키고 있는 것은 이 가운데 '강력'이라고 불리는 힘이다.

또 중성자를 원자핵 밖으로 꺼내면 곧바로 양성자와 전자, 렙톤의 일종인 뉴트리노, 즉 중성미자라는 입자로 붕괴되어 버린다. 이 때 입자를 붕괴시키는 활동을 하는 힘은 '약력'이라 불리는 힘이다.

중성자가 양성자와 전자, 뉴트리노라는 소립자로 붕괴되는 현상이 왜 일어나는가에 대해서는 1934년 이탈리아 출신의 미국의 물리학자 페르미(E.Fermi;1901~1954)가 이론적인 기초를 만들었다. 페르미는 '전자기력과는 다르고, 전자기력보다도 상당히 약한 힘이 존재한다.'고 생각하였다.

그래서 그 힘은 '약력'이라 불리게 되었다. 이들 네 힘은 실은 하나의 힘이 다른 힘으로서 보이고 있는 것이 아닌가 하고 최첨단의 물리학자는 생각하고

있다. 그렇다면 하나의 이론으로 여러 힘을 정리하여 설명할 수는 없는 것일까, 그리고 최종적으로는 하나의 이론으로 우주에 있는 모든 힘을 총괄적으로 설명할 수는 없는 것일까 하고 물리학자는 생각하고 있다. 20세기의 가장 위대한 물리학자라고 할 수 있는 아인슈타인은 만년에 전자기력과 중력의 통일이라는 문제에 손을 댔다가 결국은 목적을 달성하지 못하고 말았다.

1960년대 후반에 미국의 물리학자 와인버그(S.Weinberg; 1933~)와 글래쇼(S.L.Glashow; 1932~), 파키스탄의 물리학자 살람(A.Salam;1925~)
이 하나의 이론에서 '전자기력'과 '약력'을 설명하는 이론을 생각하였다.

그들은 '아직도 발견되지 않은 W입자와 Z입자 라는 입자를 주고받음으로써 약력이 작용한다.'고 생각하고, 그들 입자의 질량을 계산 하고 예언하였다.

1983년, 이탈리아의 루비아(C.Rubbia;1934~)의 연구 팀은 스위스에 있는 CERN (유럽소립자연구소)에서의 실험을 통하여 발견한 입자가 질량 등에서 봐서 와인버그, 글래쇼, 살람이 예언한 입자라고 생각하였다.
그리고 와인버그의 이론이 옳은 것으로 생각하게 되었다.

루비아의 실험에 사용된 장치의 원리를 발명한 네덜란드의 물리학자 판데르 메르(S.van der Mear)와 함께, 루비아는 발견의 다음해에 노벨 물리학상을 받았다.

힘의 구분이 없었던 시대 - 가모프가 제창한 우주의 시작 '빅 뱅'

물리학의 이론에서는 양성자와 중성자는 업 쿼크와 다운 쿼크로 되어 있는 것으로 생각 되고 있다. 쿼크와 렙톤은 6종류씩 있는데, 우리의 일상의 세계를 구성하고 있는 것은 업 쿼크와 다운 쿼크, 그리고 전자 등의 일부 소립자만이라고 보고 있다.

쿼크와 렙톤은 종류에 따라 다양한 질량을 가지고 있다는 것이 실험을 통하여 알려져 있는데, 업 쿼크와 다운 쿼크는 그 중에서 가장 가벼운 쿼크이다. 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면 에너지와 질량은 같은 것으로 생각된다.

예를 들어 태양 안에서 일어나고 있는 핵융합 반응에서는 수소 원소가 가지고 있는 질량의 일부가 에너지로 변환되고 있다. 질량이 큰 입자는 높은 에너지를 가진 입자라고도 할 수 있는 것이다. 에너지는 반드시 높은 상태에서 낮은 상태로 이동한다.

에너지가 높은 소립자(무거운 소립자)는 안정되게 존재할 수 없고 붕괴하여 에너지가 낮은 소립자(가벼운 소립자)가 된다. 그러나 주위의 에너지가 충분히 높으면, 그 에너지에 의하여 무거운 소립자가 새로 만들어진다. 만들어진 소립자와 붕괴되는 소립자의 비율이 어울린 상태가 되고, 어떤 일정한 양만큼 무거운 소립자가 존재하게 된다.

따라서 에너지가 높은 상태에서는 무거운 소립자도 존재할 수 있다. 그러나 에너지가 낮은 상태라면 무거운 소립자는 붕괴될 뿐 만들어지지 않는다. 그래서 가벼운 입자만 있게 되는 것이다. 현재의 이론에서는 우주는 팽창하고 있으며 시간을 반대로 더듬어 올라가면, 과거의 우주는 작았다고 보고 있다.

더욱 거슬러 올라가면 최종적으로 '빅 뱅'이라 불리는 에너지가 매우 높은 상태가 되고, 이 빅 뱅에서 우주가 탄생하였다고 생각되고 있다. 이러한 생각은 '빅 뱅 이론'이라 불리고 있다. 이것은 1946년, 미국의 물리학자 가모프(G.Gamow;1904~1968)가 제창한 것이다.

우주 탄생에서 얼마 되지 않은 무렵의 고에너지 상태에서는 높은 에너지에서 무거운 소립자가 만들어지므로 톱 쿼크 등의 무거운 소립자도 전자 등의 가벼운 소립자와 더불어 존재한 것으로 생각된다. 그러나 우주가 팽창함에 따라 에너지가 낮아지고 그에 따라서 가벼운 소립자밖에 존재하지 않게 되었다. 그래서 현재의 우주에는 보통 가벼운 소립자만 존재하고 있다는 것이다.

빅 뱅 무렵에는 네 힘도 하나의 힘으로서 자리를 차지하고 있었다고 보고 있다. 결국 에너지가 상승하면 '전자기력'과 '약력'이 같은 것이 되고, 에너지가 더 상승하면 '강력'도 '전자기력'이나 '약력'과 동일한 것이 되는 것으로 생각되고 있다. 가속기로 입자를 가속하여 충돌시키면 높은 에너지 상태가 실현된다. 그러한 고에너지 상태에서의 소립자를 조사하는 일은 과거의 우주를 살피는 일과도 연결되는 것이다.




대통일 이론을 위해 꼭 필요한 힉스 입자

현재의 물리학에서는 '전자기력'과 '약력'의 관계는 밝혀진 것으로 되어 있다. 그 두 힘에 '강력'까지 합하여 세 힘 사이의 관계를 분명히 하기 위하여 제일선의 물리학자는 도전 하고 있다. 세 힘을 정리하여 설명하는 이론은 '대통일 이론'이라 불리고 있다.

그리고 미래에는 '중력'까지 포함한 이론이 있어야 한다고 생각된다. 대통일 이론(GUT)을 만들어 가는 데 있어서 물리학자가 중요하다고 생각하고 있는 것이 바로 힉스 입자이다. 힉스 입자는 최신의 이론에서 생각되고 있는 소립자의 하나이다.

아직 발견되지 않았 지만, 힉스 입자가 존재하는가 어떤가, 또 그 질량이 어느 정도인가 하는 것이 미래 물리학의 분기점이라고 할 수 있다. 힉스 입자는 1964년에 영국의 이론물리학자 힉스(P.W. Higgs)가 제안한 것이다. 그는 왜 힉스 입자가 존재한다고 생각한 것일까?

광자의 질량은 0으로 보고 있다. 또 이론적으로는 '약력'을 중개하는 W입자나 Z입자의 질량도 0이어야 한다. 그러나 가속기에서의 실험의 결과에서 W입자나 Z입자는 매우 무겁다는 것이 알려져 있다. 즉 질량이 있는 것이다. 그것을 해명하기 위하여 이론적으로 유도된 것이 힉스 입자이다.

최신의 물리학 이론에서는 W입자나 Z입자만이 아니라 쿼크나 렙톤 등 모든 소립자에 질량을 가지게 하는 것이 힉스 입자라고 생각하고 있다. 그렇다면 물리학에서 질량이라는 것은 어떻게 생각되고 있을까? 물리학에서의 질량은 물체에 힘을 가했을 때 가속되기 어려운 정도를 말한다. 즉 같은 힘을 가했을 때에 크게 움직이는 것(가속도가 큰 것)일수록 질량이 작고, 반대로 조금 움직이는 것(가속도가 작은 것)일수록 질량이 크다고 생각한다.

힉스 입자를 채용한 이론에서는 우선 공간에 힉스 입자가 충만해 있다고 본다. 그리고 소립자를 가속시키려 할 때에 힉스 입자에 충돌하기 쉬운 것일수록 가속하기 어렵고 (질량이 크고), 반대로 충돌할 확률이 낮은 것은 가속하기 쉽다(질량이 작다)고 생각한다. 이러한 생각에 따르면, 원래 광자에도 W입자에도 Z입자에도 질량이 없지만, W입자나 Z입자는 힉스 입자와 충돌 확률이 높으므로 그 질량이 크다고 생각하는 것이다.




미래의 물리학을 향한 유력한 시나리오의 하나 '초대칭성 이론'

'강력'까지 포함하여 세 힘 사이의 관계를 밝히기 위하여 여러 가지 시도가 실시되고 있는데, 그 중에서 물리학자가 가장 유력하다고 생각하고 있는 이론으로 '초대칭성 이론'이 있다. 초대칭성 이론이 옳다면, 대통일 이론이 어떠한 것인가를 예측할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 자연계는 쿼크나 렙톤 등의 입자가 바탕이 되어 물질이 생겼으며, 그들 입자 사이에서는 광자나 글루온 등의 입자에 의하여 힘이 전달된다고 물리학자는 보고 있다.

초대칭성 이론에 따르면, 쿼크, 렙톤, 광자, 글루온 등의 입자에는 모두 쌍이 되는 입자가 존재한다. 그러나 그 쌍으로 되어 있는 입자는 질량이 무겁고, 높은 에너지 상태가 아니면 존재할 수가 없다. 그래서 현재 실시되고 있는 입자 가속기의 실험에서는 아직 확인되지 않았다. 초대칭성 이론에 따르면, 예를 들어 렙톤의 하나인 전자는 '초전자(超電子)'라 명명된 입자와 쌍이 되어 있다. 그리고 그 초전자는 물질을 만드는 입자가 아니라, 힘을 전달 하는 입자이다.

한편 힘을 전달하는 입자의 하나인 광자는 '초광자(超光子)'라 명명된 입자와 쌍이 되어 있는데, 그 초광자는 물질을 만드는 입자이다. 이처럼 초대칭성 이론에서는 물질을 만드는 모든 입자는 힘을 전달하는 입자와 쌍이 되고, 한편 힘을 전달하는 모든 입자는 물질을 만드는 입자와 쌍이 되어 있는 것이다.

초전자나 초광자 등의 입자를 총칭하여 '초대칭성 입자'라고 부른다. 거울에 비친 세계를 볼 때, 거울 안의 세계는 좌우가 반대이지만, 물리 법칙까지 변한 것은 아니다. 이처럼 좌우를 바꿔도 같은 법칙이 성립하는 것을 물리학에서는 '대칭성'이 있다고 말한다.

이것과 마찬가지로 물질을 만드는 입자와 힘을 전달하는 입자를 바꿔 넣어도 물리 법칙은 변하지 않는다고 생각하는 것이 초대칭성 이론이다. 초대칭성 이론에서는 힉스 입자에도 무거운 것이나 가벼운 것 등 몇가지 종류가 있다고 보고 있다. 그 중에서 비교적 가벼운 힉스 입자는 가속기로 현재 진행되고 있는 실험의 에너지의 영역, 또는 좀더 높은 에너지의 영역에서 발견될 것으로 예상되고 있다.

그렇다면 가벼운 힉스 입자가 발견된다면 어떻게 되는 것일까? 그 경우 초대칭성 이론에 의한 시나리오가 옳은 방향으로 향하고 있는 것으로 생각할 수 있다. 왜냐 하면 가벼운 힉스 입자라는 것은 초대칭성 이론이 아니고서는 설명할 수 없기 때문이다.

그리고 초대칭성 이론의 입장에서 생각하면, 힉스 입자가 발견된 에너지의 영역 또는 좀더 높은 영역에서, 많은 초대칭성 입자가 발견될 것이다. 초대칭성 이론에서는 현재 알려져 있는 소립자와 같은 수만큼 초대칭성 입자가 존재 한다고 생각한다. 그 정도의 수의 입자의 질량이나 붕괴의 방식에 관한 정보가 실험을 통해 밝혀진다면, 그 정보에서 대통일 이론이 어떠한 것인가를 미뤄 알 수 있을 것으로 기대하고 있다.

더구나 '강력'을 포함한 대통일 이론과 '중력'까지 포함한 이론이 비교적 가까운 것이 아닌가 하는 생각도 있다. 그렇다면 가벼운 힉스 입자의 발견과 그것에 이어지는 많은 초대칭성 입자의 발견으로 단숨에 '중력'을 포함한 이론까지 내다볼 수 있게 될 가능성도 있다.




힉스 입자가 존재하지 않으면, 미지의 입자가 대량으로 발견될 가능성도 있다

그러나 반대로 가벼운 힉스 입자가 발견되지 않을 경우에는 어떻게 될까? 가벼운 힉스 입자가 없는 경우에는 초대칭성 이론이 잘못이라는 결론이 나온다.

그래서 무엇인가 다른 것을 생각할 필요가 생긴다. 당연히 초대칭성 입자가 발견되는 일도 없어진다. 가벼운 힉스 입자가 발견되지 않을 경우, 물리학자는 힉스 입자나 Z입자 등이, 더욱 작은 입자로 되어 있는 복합 입자일 가능성도 있다고 보고 있다.

힉스 입자나 Z입자가 복합 입자라면, 매우 강한 힘으로 결합해 있어야 한다.현재 '강력'이라 불리고 있는 쿼크를 결합시키고 있는 힘보다도 강하지 않으면 안 된다.

결국 더욱 작은 입자가 있다면, 동시에 아직 알려지지 않은 힘이 존재하는 것이 된다. 1930년대 이후, 입자 가속기의 진보에 힘입어, 양성자나 중성자 무리의 입자가

대량으로 발견된 시기가 있었다. 유카와 히데키가 예언한 파이 중간자 등도 그러한 입자의 하나 였다. 그리고 마침내 물리학자들은 그들 입자가 쿼크의 조합에 의하여 구성되고 있다고 생각하게 되었다. 힉스 입자나 Z입자 등이 더욱 작은 다른 입자로 되어 있다면, 그들의 더욱 기본적인 입자가 대량으로 발견될 가능성도 부정할 수 없다고 보고 있다.

양성자와 중성자 무리의 입자가 대량으로 발견된 것과 같은 일이 또다시 반복될지도 모르는 것이다. 그러나 그것은 그것으로 흥미로운 일이다. 새로 발견되는 많은 입자의 성질에서 현재와 전혀 다른 이론이 등장할지도 모르기 때문이다.




힉스 입자 발견을 향한 거대 가속기 프로젝트

힉스 입자는 21세기의 소립자 물리학에서 매우 큰 의미가 있다고 물리학자는 생각하고 있다. 현재 CERN에서 건설 중인 LHC라는 가속기의 주된 목적의 하나는 이 힉스 입자를 찾는 일이다. 현재 CERN에서 진행되고 있는 LEP2 실험에서도 힉스 입자를 찾고 있다.

LEP2에서 힉스 입자는 발견되지 않았지만 실험에서 힉스 입자가 양성자의 약 110배보다 무겁다는 것을 알았다. 또 LEP2와 미국에서 실시되고 있는 Tavatron 실험의 결과를 합치면, 양성자의 약 200배보다 가벼운 것으로 표시되었다. 결국 힉스 입자의 질량은 양성자의 110~200배 정도로 보고 있다.

이론적인 가능성으로는 질량 0에서 양성자의 약 1000배 까지의 가능성이 있다. 그 안에서 생각하면 비교적 '가벼운' 힉스 입자라고 할 수 있다. 소립자의 연구와 실험에 사용되는 가속기에는 양성자끼리 충돌시키는 것과, 전자와 그 반입자(反粒子)인 양전자(陽電子)를 충돌시키는 것이 있다.

여기서 반입자라는 것은 영국의 이론물리학자 디랙(P.A.Dirac;1902~1984)이 1928년에 제창한 것이다. 디랙은 '전자 등의 입자와 질량 등의 성질은 완전히 같고 전하만 반대인 입자가 존재한다.'고 생각하였다. 일상적으로는 거의 존재하지 않지만 가속기의 실험에서 양전자가 만들어져 이용되고 있다.

양성자끼리 충돌시키는 유형은, 전자와 양전자를 충돌시키는 것보다도 더욱 높은 에너지에 비교적 간단히 도달한다. LHC 계획에서는 'ATLAS'라는 새로운 검출 장치가 만들어진다. 그 ATLAS 실험의 대표자인 옌니 박사는 LHC에 대하여 이렇게 말했다.

"힉스 입자가 존재한다면 LHC에 의하여 발견될 것이라는 시뮬레이션 결과가 나와 있다. 세계의 몇 천명의 연구자가 관련된 이 프로젝트가 새로운 세계로 우리를 인도해 줄 것을 기대하고 있다. LHC 계획에 관련된 일은 위대한 도전인 동시에 특별한 명예라고 생각 하고 있다."

LHC에서는 2005년부터 실험이 시작될 예정이다. 그러나 LHC에서 힉스 입자가 발견되어도 LHC에서 힉스 입자를 상세히 연구하기는 어렵다고 보는 시각도 있다. 가벼운 힉스 입자를 발견하기 위해서는 양성자끼리보다도 전자와 양전자를 충돌시키는 실험 쪽이 발견하기 쉽다. 양성자 안에는 세 개의 쿼크와 많은 글루온이 존재하고 있다. 그래서 양성자끼리 충돌시키면 그 쿼크와 글루온이 충돌하여 반응이 복잡해진다.

전자와 양전자의 충돌은 그에 비해 등장 인물이 되는 입자가 적다(전자와 양전자만). 따라서 그 반응이 매우 뚜렷하다. 그래서 가벼운 힉스 입자를 찾기 위해서는 전자와 양전자를 충돌시키는 유형의 가속기가 적합한 것으로 생각된다. LEP2가 그러한 유형의 가속기 이다. 힉스 입자가 어떠한 모양으로 발견되느냐에 따라, 21세기의 소립자 물리학은 전혀 달라지게 된다.

현재는 소립자 물리학의 분기점이라고 할 수 있는 시기로, 10~15년 후의 소립자 물리학은 매우 흥미로운 시기를 맞이하게 될 것이다. 소립자 물리학은 우주를 구성하고 있는 가장 기본적인 입자를 찾아내고, 현재 알려져 있는 네 힘을 하나의 이론으로 설명하는 것을 겨냥하여 나아가고 있다. 그러한 이론은 우리의 우주의 탄생의 순간과도 밀접하게 연결되어 있다.

우주가 탄생했을 때에는 소립자 사이에 작용하는 힘은 하나밖에 없었다고 물리학자는 생각하고 있다. 그러한 시작의 순간부터 어떻게 하여 우주가 진화해 온 것일까? 소립자라는 매우 작은 세계에 대한 연구가 우리의 우주라는 매우 큰 세계와 관련이 있는 것이다.