이종필 / 한국과학기술원 부설 고등과학원 물리학부 연구원
지난 9월 우주대폭발(빅뱅)을 재현할 대형강입자충돌기(LHC)가 가동에 들어갔다. 실험이 성공할 경우, 과학계는 기존 우주관에 대혁명이 일어날 것으로 기대하고 있다. LHC를 통해 우주탄생의 비밀을 발견할 수 있을지 알아보자. <편집자주>
지난 9월 10일 공식적인 가동에 들어간 유럽원자핵공동연구소(CERN)의 대형강입자충돌기(LHC: Large Hadron Collider)가 전세계 과학자들의 기대를 한 몸에 받고 있다. 지하 100m에 건설된 둘레 27km짜리 입자가속기는 두 개의 양성자 빔을 원형으로 가속시켜 고에너지로 충돌시킨다. 이때의 충돌 에너지는 양성자 자신의 질량보다 1만4천 배나 높다. 인류가 소립자로 만들어낸, 전대미문의 가장 큰 에너지다.
양성자가 고에너지로 충돌하면 양성자는 부서지고, 내부의 소립자들은 높은 에너지로 서로 충돌한다. 과학자들이 관심 있게 지켜보는 대목이 바로 소립자들 사이의 고에너지 상호작용이다. 이때 소립자들은 대략 양성자 에너지의 수십 퍼센트를 가지고 나가는데 이 에너지는 우주탄생 직후 약 1/1000억 초에 해당하는 시기의 에너지와 비슷하다.
LHC의 최대 관심사는 힉스 입자
소립자들의 충돌 에너지가 높으면 빅뱅 직후 초기 우주의 고에너지 상태에서만 일어날 것으로 예상되는 갖가지 현상들을 관찰할 수 있다. 무엇보다 ‘신의 입자’(God Particle)로 알려진 힉스(Higgs) 입자를 LHC가 발견할 것인지가 최대의 관심사다. 지금까지 과학자들이 밝혀 낸 소립자는 물질을 구성하는 6쌍의 구성입자와, 힘을 전달하는 4개의 매개입자들이다. 이 소립자들은 표준모형의 틀로써 잘 이해된다. 표준모형에 의하면 자연에는 ‘게이지 대칭성’이 있다. 게이지 대칭성이란 우리가 입자들을 관측하는 틀을 바꾸더라도 물리법칙은 변하지 말아야 한다는 것이다. 게이지 대칭성을 부여하면 힘을 매개하는 입자들은 이 대칭성을 유지하기 위해서 반드시 존재해야만 한다. 그러나 게이지 대칭성이 있으면 모든 입자는 질량을 가질 수가 없다. 대칭성이란 한마디로 ‘구분할 수 없음’을 의미한다. 소립자들을 서로 구분하는 가장 기본적인 물리량이 질량인데, 게이지 대칭성은 이 구분을 지워버린다.
과학자들은 게이지 대칭성의 모양을 유지하면서 이 대칭성이 적절하게 깨져 소립자가 질량을 지니는 방법을 연구했다. 이 과정에서 도입된 입자가 힉스 입자이다. 힉스 입자가 대칭성을 유지하면서 소립자들과 상호작용을 하다가 갑자기 특정한 값을 가지게 되면, 대칭성이 깨지면서 소립자들이 질량을 갖는다. 하지만 불행히도 힉스 입자는 아직 관측되지 않았다.
초대칭성과 암흑물질의 비밀
이 힉스 입자 외에도 LHC 가동을 통해 다른 것들이 발견될 가능성이 있다. 그중 하나가 스핀(spin)이라는 물리량과 관련된 대칭성인 초대칭성(supersymmetry)이다. 모든 소립자는 스핀을 가지고 있다. 스핀은 말 그대로 회전과 관계있다. 그러나 소립자는 점과 같아서 크기도 없고 하부구조도 없기 때문에 실제로 회전하지는 않는다. 양자역학에 의하면 스핀은 입자의 내재적인 회전효과를 나타내는데, 0, 1, 2 같은 정수값 혹은 1/2, 3/2 같은 반정수값만 가능하다. 전자를 보존(boson), 후자를 페르미온(fermion)이라고 한다. 초대칭성은 보존과 페르미온 사이의 대칭성이다. 자연에 초대칭성이 있다면 모든 페르미온은 그에 상응하는 보존을 각각의 초짝(superpartner)으로서 하나씩 가지고 있고, 모든 보존은 그에 상응하는 페르미온을 각각의 초짝으로 가지고 있다.
초대칭성은 표준모형의 여러 문제들을 해결한다. 표준모형에서는 힉스 보존의 질량에 대한 양자역학적 보정이 통제하기 어려울 정도로 커진다. 이때 으뜸 쿼크(top quark)가 가장 큰 효과를 발휘하는데, 초대칭성이 있다면 초으뜸 쿼크가 이 효과를 정확하게 상쇄하여 힉스 보존의 질량을 안정시킨다.
실험적으로 우리는 아직까지 초입자(super particle)를 본 적이 없다. 자연의 초대칭성이 정확하다면, 전자의 초짝은 전자와 질량이 같기 때문에 여태 발견되지 않았을 리가 없다. 과학자들은 자연에 초대칭성이 있더라도 그것이 적절하게 깨져 있으면 초입자들의 질량이 충분히 커서 아직까지 발견되지 않았을 수도 있을 것으로 여기고 있다. 힉스 보존의 질량을 자연스럽게 안정시키려면 초입자들의 질량은 대략 양성자 질량의 약 1천 배 정도 될 것으로 예상된다. 이 정도면 LHC가 충분히 넘어설 수 있는 에너지다.
또한 LHC는 우주 물질의 대부분을 차지하는 암흑물질을 만들어낼지도 모른다. 암흑물질은 말 그대로 빛을 내지 않아 관측상으로는 보이지 않지만 중력효과 등 여러 가지 간접적인 효과 때문에 존재가 거의 확실시되고 있다. 그러나 그 정체가 무엇인지는 아직 알지 못한다. 표준모형의 입자들 중에는 암흑물질이 될 만한 후보가 없다. 만약 초대칭 입자가 있다면 그 가운데 가장 가벼운 입자가 암흑물질일 가능성이 높다. 과학자들은 초중성소자(neutralino)를 암흑물질의 유력한 후보로 거론하고 있다.