宇宙는 어떻게 만들어졌을까. 神祕로운 맛집의 祕密을 밝히려면 들어가는 材料 하나하나를 알아내야 하는 것처럼, 宇宙를 說明하기 위해서는 이루고 있는 材料를 正確히 理解해야 한다. 人類가 只今까지 發見한 모든 材料를 基本粒子라 하고, 이들과 그 사이의 相互作用을 說明하는 形態가 바로 標準 模型이다. 오랫동안 科學者들의 念願은 이를 다듬고 完成하는 것이었다. 

그리스 哲學者 엠페도클레스는 世上 모든 萬物이 흙, 불, 空氣, 물로만 이뤄져 있다는 ‘4元素說(設)’을 主張했지만, 이들은 原子로 構成돼 있다. 原子의 中心에는 原子核이 있고 그 周圍에는 電子가 있다. 原子核은 陽性子와 中性子로 構成되며, 業 쿼크와 다운 쿼크로 쪼개진다. 中性子보다 더 작아 中性微子로 불리는 녀석도 있는데, 質量이 너무 작아 測定하기 어려울 程度다. 業 쿼크, 다운 쿼크, 電子, 그리고 中性微子 여기까지가 現代版 4元素說이다. 

萬若 이 宇宙가 오직 4種類의 치킨으로만 이뤄져 있다면 우리는 프라이드, 양념, 간醬, 마늘 치킨을 찾아낸 것이다. 이걸 1世代 基本粒子라 한다. 現在까지 發見된 世代는 總 3가지다. 2世代와 3世代 亦是 1世代처럼 4가지 基本粒子로 構成됐는데, 各 運動量이나 스핀은 같지만 質量이 다르다. 이제 單純한 4치킨 時代는 끝나고 핫양념, 볼케이노, 숯불양념, 강정, 왕갈비, 불갈비, 베이크, 가마솥 치킨까지 더한 12치킨 時代가 온 것이다. 이 12種類의 基本粒子를 우리는 페르미온이라고 부른다.

宇宙에는 4가지 힘(重力, 電磁氣力, 强力, 略歷)이 있다. 現代物理學에서는 이 힘들의 根源을 주고받는 粒子로 說明한다. 排球공을 주고받는다면 排球를 하고 있다고 볼 수 있는 것처럼, 4가지 힘도 두 粒子가 서로 光子, 글루온, Z보손, W보손 같은 媒介 粒子를 주고받는 過程에서 힘이 생긴다고 본다. 이 媒介 粒子를 ‘보손’이라고 하는데, 12種類의 치킨을 페르미온이라고 부르는 것처럼 허니 머스터드, 치즈, 와사비 마요, 갈릭 等 4種類의 디핑 소스가 보손에 該當한다. 그런데 異常하게도 이들의 質量은 모두 다르다. 世上은 이 粒子들로 만들어졌을 텐데, 都大體 누가 이들에게 質量을 附與했을까.

萬物에 質量을 附與한 神의 粒子

標準 模型의 치킨과 디핑 소스들이 宇宙 어디에서도 맛있으려면 언제나 相互作用을 해야 한다. 또 아무리 멀리 있는 치킨度 날아가 버무릴 수 있으려면 디핑 소스들의 質量이 없어야 한다. 하지만 光子와 달리 略歷의 媒介 입자는 質量이 있어 힘의 範圍가 電磁氣力처럼 無限하지 못하고 끊어져버린다. 마치 長距離 戀愛를 하면 關係가 스스로 깨져버리기 쉬운 것처럼 말이다. 이걸 自發的 게이지 對稱性이 깨졌다고 表現하며 ‘힉스 메커니즘’이라고 한다. 힉스 粒子에 對한 誤解는 마치 이 粒子가 신데렐라의 妖精 할머니처럼 妖術棒으로 다른 粒子들에 質量을 附與했다고 믿는 것이다. 事實 質量을 附與한 건 힉스 粒子가 아니라 힉스 作用의 原理인 힉스 메커니즘이고, 힉스 粒子는 힉스 메커니즘이 일어났다는 明白한 證據다. 



이곳을 서울地下鐵 新道林驛이라고 假定해보자. 사람이 많긴 하지만, 그렇다고 2號線을 갈아타러 가는 건 어렵지 않다. 하지만 여기 있는 사람이 아이유라면 어떨까. 날씬하기에 빠르게 地下鐵을 탈 수 있을 것 같지만, 絶對 그렇지 않다. 그女를 알아본 사람들이 사인을 要請할 테고, 아마 地下鐵을 타는 것 自體가 不可能할 수도 있다. 人氣가 많아 사람들과 相互作用을 많이 할수록 느리게 움직일 수밖에 없다. 이렇게 느리게 만드는 作用을 힉스 메커니즘이라고 하며, 이 作用이 일어나는 신도림役을 힉스장이라 부른다. 

勿論 힉스腸은 宇宙 全體에 퍼져 있으며 틈만 나면 物質과 相互作用을 한다. 人氣가 많을수록 더 많은 相互作用을 하는데, 이런 物質을 우리는 質量이 크다고 認知하는 것이다. 質量이 크기 때문에 무겁고, 그래서 밀어도 꿈쩍하지 않는 게 아니라, 美는 對象이 힉스長과 相互作用을 많이 할수록 미는 힘에 對해 더욱 剛하게 抵抗하며, 이때 質量이라는 物質 固有의 物理量을 크다고 定義하는 것이다. 

그렇다면 힉스長과 相互作用을 全혀 하지 않는 粒子는 어떻게 될까. 空氣나 屛風級으로 人氣가 없어 存在感이 제로(0)인 안타까운 粒子가 바로 光子, 빛이다. 實際로 빛은 힉스長과 相互作用을 하지 않기 때문에 質量이 없고, 언제나 宇宙 空間에서 最大 速度로 날아다닐 수 있다. 힉스 메커니즘을 만드는 힘은 아주 짧은 距離에서만 作用하기에 巨大한 우리는 이걸 重力처럼 直接 느낄 수는 없다. 힉스 粒子는 힉스長과 힉스 메커니즘의 唯一한 證據였으며, 或是 이게 存在하지 않는다면 只今까지 모든 發見은 小說 속 이야기에 不過했다. 

집에서 家庭食 치킨을 料理해 먹기로 마음먹었다면 적어도 곧 먹게 될 치킨을 어느 程度 豫想할 수는 있어야 한다. 그런데 밀가루나 食用油를 얼마나 써야 하는지는 둘째 치고, 家庭食 치킨이라는 게 世上에 存在하는지도 모르는 狀況이었다. 甚至於 美國 實驗物理學者 리언 레더먼 博士는 힉스 粒子에 關한 冊을 쓰는 過程에서 하도 發見이 안 되니 冊 題目에 ‘빌어먹을 粒子(goddamn particle)’라는 辱을 適期까지 했다. 그래도 과학책인데 辱說은 甚하다고 判斷한 出版社 側은 題目 뒷部分을 神의 粒子(god particle)로 修正했고, 한때 바뀐 題目 때문에 基督敎에서 힉스 粒子가 神의 存在를 證明할 것이라고 誤解한 적도 있다. 

亂離통 속에서 힉스 粒子는 더욱 有名해졌지만 찾을 方法이 없었다. 西部의 두 銃잡이가 마주 보고 쏜 銃알을 正確히 부딪치게 하는 것처럼, 粒子 두 個를 빠르게 加速해 衝突하게 한다는 非現實的인 아이디어만 있었다. 甚至於 이 硏究는 부딪친 뒤 부서져 나오는 모든 粒子의 痕跡을 分析해야 하는데, 그 破片이 셀 수 없이 많고 제대로 보이지도 않을 게 確實했다. 特히 加速器 規模가 클수록 높은 에너지의 粒子를 얻을 수 있어, 目標인 힉스 粒子를 찾기 위해서는 理論的으로 어마어마한 크기의 粒子 加速器가 必要한 狀況이었다.

드디어 世上에 모습을 드러낸 힉스 粒子

1987年 美國이 强力한 資本을 바탕으로 내놓은 ‘超傳導 超加速器’ 프로젝트는 進行 途中 豫算 削減으로 中斷됐다. 11年 後 유럽粒子物理硏究所는 스위스 제네바에 ‘大型 强粒子 加速器’ 建設을 始作했다. 둘레 길이는 超傳導 超加速器보다 3分의 1이나 줄었지만, 數千 個의 超傳導磁石을 利用해 溫度를 極低溫으로 낮춰 작지만 빠른 加速이 可能하도록 設計했다. 2008年 9月 10日 드디어 人類 最大의 加速器가 첫 稼動을 始作했고, 英國 放送社 BBC는 이날을 ‘빅뱅의 날’이라고 報道했다. 世上이 滅亡할지도 모른다는 恐怖로 實驗 中斷을 要求하는 告訴狀이 接受되거나 自殺하는 사람까지 나왔다. 實驗도 順坦치 않았다. 電源을 넣은 지 열흘 만에 爆發로 稼動을 中止했고, 1年間 修理해 겨우 다시 稼動할 수 있었다.

2011年 12月, 萬若 힉스 粒子가 없을 境遇 나타나야 할 形態와는 조금 다른 結果가 나왔다. 아무 소리도 나지 않아야 할 빈 깡筒에서 뭔가 달그락거리는 소리가 들린 것이다. 科學者들은 아마 잘못된 信號일 거라며 믿지 못했다. 하지만 그들은 數個月間 分析을 멈추지 않았고, 2013年 3月 14日 存在 可能性이 提起된 지 49年이 돼서야 드디어 이 未知의 粒子가 世上에 모습을 드러냈다. 이제 人類는 粒子에 質量을 附與하는 힉스長과 힉스 메커니즘, 그리고 그 證據인 힉스 粒子의 存在를 받아들이게 됐다. 

最初로 힉스 粒子의 存在를 推測한 세 사람 中 이미 他界한 로버트 브라우트를 除外한 프랑手 프랑수아 앙글레르와 피터 힉스 博士에게 2013年 노벨物理學賞의 榮譽가 돌아갔다. 하지만 如前히 標準 模型은 中性微子의 質量이나 重力을 說明하지 못한다. 暗黑物質이나 暗黑에너지의 存在 亦是 마찬가지다. 아직 不完全한 模型에 對해 追加로 알아야 할 것이 많이 남아 있다. 如前히 보이지 않는 것을 쫓는 科學者들의 努力은 더 偉大한 加速器의 開發로 이어지고 있다. 

‘치킨은 살 안 쪄요. 살은 내가 쪄요’라는 말을 들어봤을 것이다. 宇宙를 이루는 다양한 種類의 치킨과 디핑 소스를 理解하고 있다면 이제 제대로 應用할 때다. 치킨은 살 안 찐다. 그저 나를 힉스長과 活潑하게 相互作用하는 人氣人으로 만들어줄 뿐이다. 新道林驛의 아이유처럼 말이다. 그러니 너무 걱정하지 말고 먹자. 맛있으니까 어쩔 수 없다.

_{軌道_연세대 天文宇宙學科 學部 및 大學院을 卒業하고 韓國天文硏究院 宇宙監視센터와 연세대 宇宙飛行制御硏究室에서 勤務했다. ‘軌道’라는 藝名으로 팟캐스트 ‘課長窓’, 유튜브 ‘안될과학’과 ‘투머치사이언스’를 進行 中이며, 著書로는 ‘軌道의 科學 虛勢’가 있다.}