1. LHC launched!!!

최근 LHC 가 웹상에서 이슈가 좀 됐었습니다. 미니블랙홀 때문에 지구가 멸망한다!!! 라고 하는 무시무시하면서도 좀 우스운 이유지요..
그대로 믿는 사람은 별로 없겠지만 내일 지구가 사라진다면...하는 스피노자식의 평범하지 않은 고민을 한번쯤 할 수 있는 기회라서 의외로 사람들이 즐기고 있는 듯도 합니다.

LHC는 인류역사상 가장 거대하고 값비싼 실험장치(대략 10조원)입니다. 폼으로 이런걸 만든게 아니라면 분명 목적이 있을텐데요....과연 이런 어마어마한 돈을 써가면서 물리학자들이 알고자 하는 것은 무엇일까요?


인류역사상 가장 비싼 실험기구



힉스 입자(Higgs Boson)!!!
흔히 신의 입자(God particle) 라고 하는 이것을 찾는 것이 LHC의 궁극적인 목표입니다.

블랙홀, 지구멸망 같은 판타지스런 이야기는 잠시 젖혀두고 이제 과학이야기를 해봅시다.

2. 대답하기 어려운 질문

서너살 꼬마아이들은 질문을 참 많이 합니다. 아이가 물으니 어른은 대답합니다만 아이들은 그 대답을 “왜요? 왜 그렇게 돼요?” 라는 말로 계속 어른들을 궁지에 빠뜨립니다.
정직한 어른이라면 어느 시점에서는 분명 대답할 수 없습니다.

사과는 나무에서 왜 떨어져요?    지구가 사과를 당기기 때문이야.
왜 지구가 당겨요?    질량을 가진 모든 물체는 서로 당긴단다.
왜요?    원래 그래....쓸데없는 질문하지 말고 엄마랑 놀아.

질문이 거듭될수록 질문의 수준은 점점 간단하고 근본적으로 변해가며 인류는 이러한 질문에 대한 해답을 거의 가지고 있지 못합니다.
이러한 수많은 근본적인 질문 중에서

질량의 기원은 어디서 오는걸까? 왜 수많은 기본입자들의 질량은 다들 규칙성 없이 자기 멋대로 일까?

물리학자들은 이 질문에 대한 답으로 힉스입자를 고안합니다.

질량이 없는 입자-광자, 글루온- 은 힉스입자와 상호작용을 하지 않기 때문에 질량이 없는 것이고, 무거운 입자는 힉스입자와 강하게 상호작용을 하기 때문에 큰 질량을 가진다고 설명하는 거지요..

우와~ 그럼 힉스입자와 다른 기본입자들간의 상호작용의 세기를 알면 질량을 알 수 있는 거네!! 물리학자들은 그런거 계산하는 멋진 이론을 가지고 있나 보구나!!!

안타깝게도.... 그런거 없습니다. 힉스입자와의 상호작용의 세기는 입자들의 질량을 통해 실험으로 결정되는 겁니다!!!!

이게 무슨 뜻인가 하면 말이죠.....

철수집은 어디야?    영희집 오른쪽에..
그럼 영희집은 어딘데?    철수집 왼쪽에..
죽을래!!!!!

단순히 힉스입자가 질량을 결정하기 위해 도입된 입자라면 영희집-철수집 과 똑같은 설명일 뿐입니다.
뭔가 설명하는 듯 하지만 사실은 질량이라는 말을 힉스입자로 대체한 것일 뿐 아무것도 새로운 것이 없지요.
이것만으로는 힉스입자가 존재해야 할 아무런 이유가 안됩니다. 오히려 새로운 입자를 추가하기 때문에 더 복잡해 보입니다.

그럼 LHC는 전부 사기??
자...물리학자들이 사기치고 있는지 좀 더 따져봅시다.


3. 이 결혼은 안된다!! 그 아이는 너의 배다른 여동생이야!!!

재벌의 외동아들과 우연히 사귀게 된 우리의 여자 주인공...하지만 그녀는 재벌회장이 젊은시절 불륜으로 낳은 이복남매로 밝혀지는데...

전형적인(?) 아침드라마의 스토리입니다. 딱 패턴이 나오죠.. 누구와 누구는 배다른 남매이고, 또 누구는 숨겨진 부인의 아들이고..
원래는 전혀 상관없을 것 같던 등장인물들이 알고보면 전부 혈연관계~

갑자기 왠 뜬금없는 아침드라마 이야기냐구요?
물리학이란 학문은 “사실 내가 니 애비다.” 라는 것을 수학적으로 증명하는 것이지요.

물리학의 역사는 통합(unification)의 역사입니다.
겉보기에는 서로 달라보이지만 사실은 같은 원리다. 이것이 모든 물리학의 핵심입니다.

"정지해있는 것과 운동하고 있는 것(등속운동)이 사실은 똑같은 것이다!!!"
흔히 관성의 법칙이라고 합니다. 이것은 우리의 경험과는 전혀 다르기 때문에 수만년 인류문명을 통틀어 겨우 300년 전 갈릴레오가 발견하였고 여기서 과학혁명이 시작됩니다.



"시간과 공간은 사실 같은 것이며 보는 사람의 관점에 따라 서로 바뀐다!!!"
그 유명한 특수상대성법칙이지요. 아인슈타인은 겉으로 보기에 전혀 달라보이는 시간과 공간을 통합합니다.

“언젠가는 손수건 한 장에 적을 수 있는 수식 하나로 우리 우주의 모든 것을 설명할 수 있을 것이다!!!”
이런 이론이 존재할지는 모르지만 모든 것을 설명할 수 있는 단 하나의 이론이라는 생각은 모든 물리학자들이 꿈꾸는 이상향입니다.


20세기에 들어 과학자들은 자연에 존재하는 힘이 4가지가 있다는 것을 알아냅니다.
태양계나 은하계와 같은 천문학적인 규모에서의 중력 (graviton)
원자와 분자를 이루는 전자기력 (photon)
방사능 붕괴(beta decay)를 일으키는 약한 상호작용 (W, Z boson)
핵을 서로 묶어두는 강한상호작용 (gluon)

물리학자들은 이 4가지 힘이 원래(우주탄생의 순간)에는 똑같은 하나의 힘이라고 주장합니다.
이 중에서 중력을 제외한 나머지 3가지 힘을 통합하는데 성공하는데 이것을 표준모형(standard model)이라고 하며 입자물리학의 주류 이론입니다.



표준모형을 한마디로 하면?
쿼크(quark) = 렙톤(lepton), 광자(photon) = W Z 입자 = 글루온(gluon),  힉스입자




하지만 모든 통합에는 자연스럽게 따라오는 질문이 있습니다.
“그러면 왜 달라보이는가?”

등속운동이 정지한것과는 달리 계속 등속운동을 하지 못하는 것은 마찰 혹은 분자수준에서의 저항력 때문이지요..
시간과 공간이 달라보이는 것은 우리가 빛의 속도에 비해 매우 느리게 움직이고 있기 때문입니다.
물리학은 자연의 현상을 통합하는 이론을 만들어내는 동시에 그것이 달라보이는 이유까지 설명해야합니다.

똑같은 질문을 입자물리학에서도 해야하지요...원래 같은 힘이었다고 하면 그럼 지금은 왜 달라보이는가?
바로 이것을 설명하는 것이 힉스 입자입니다.
단순히 질량의 기원을 설명하는 것이 아니라 원래 하나였던 것을 다르게 만들어 주는 역할을 하는것.... 그래서 힉스입자는 표준모형에서 반드시 존재해야합니다.


문제는 지금껏 누구도 힉스입자를 발견하지 못했다는 것입니다.
실력이 안되는 플레이어가 마우스탓을 하듯이 물리학자들은 실험장비(입자가속기) 탓으로 돌립니다. 힉스 입자를 발견하기엔 에너지가 부족하다는 것이지요..

그리고 드디어 LHC 까지 왔습니다. LHC는 힉스 입자가 이론적으로 가져야할 질량을 완전히 커버합니다. LHC급 입자가속기로도 힉스 입자를 발견하지 못하면 힉스 입자는 정말로 존재하지 않는다는 얘기입니다. 더 이상 물러설 곳이 없습니다.

그래서 LHC는 현대 물리학의 대단히 중요한 분기점이 됩니다.
힉스 입자가 발견된다면 물리학자들은 표준모형의 승리를 환호할 것이며 물리학은 올바른 길로 가고 있다는 이정표를 만난 것입니다.

그러나 힉스입자를 찾지 못한다면 현대 물리학은 심각한 위기에 처하게 됩니다. 모든 입자물리학은 1970년대에 완성된 표준모형을 기반으로 하고 있으며 표준모형은 반드시 힉스 입자가 필요합니다.
힉스 입자를 발견하기 못하면 입자물리학은 1970년대로 다시 돌아가 모든 것을 새롭게 시작해야합니다.

아마 내년 말쯤이면 힉스입자의 존재여부가 판가름 날 것입니다.
물리학자들은 힉스입자가 곧 발견될 것이라고 믿고 있지만 발견하지 못하더라도 실망하지는 않을 겁니다. 과학은 무조건 믿는 종교가 아니니까요..
난세에 영웅이 탄생한다고 어쩌면 내심 이러한 물리학의 대혼란이 오길 은근히 기대하고 있는 학자들도 있을 것입니다.

결론이 어떻게 되던지 LHC는 인간의 지식수준을 한 단계 올려놓을 것입니다.

ps1. 개략적으로 내용을 설명한 거라서 정확하지 못한 표현이 있을 수 있습니다.
ps2. 요즘 도킨스(Richard Dawkins)에 푹 빠져버렸습니다. 생물학도 아주 재미있는 학문이네요^^
* OrBef님에 의해서 게시물 복사되었습니다 (2011-08-23 06:24)