초기 우주 상태 재현… 우주탄생 비밀 파헤칠 단서 제공 오늘 9월 10일 공식 가동에 들어가는 유럽원자핵공동연구소(CERN)의 대형강입자충돌기(Large Hadron Collider, LHC)는 전 세계 과학자들의 기대를 한 몸에 받고 있다.
지하 100미터에 건설된 둘레 27km 짜리 가속기인 LHC는 두 개의 양성자 빔을 원형으로 가속시켜 고에너지로 충돌시킨다. 이때의 충돌 에너지는 양성자 자신의 질량보다 1만4천배나 높다. 유사 이래 인류가 소립자로 만들어 낸, 전대미문의 가장 큰 에너지다.
양성자가 고에너지로 충돌하면 양성자가 부서지며 그 내부의 소립자들이 높은 에너지로 서로 충돌한다. 과학자들이 관심 있게 지켜보는 대목이 바로 소립자들 사이의 고에너지 상호작용이다.
이 때 소립자들은 대략 양성자 에너지의 수십 퍼센트를 가지고 나가는데 이 에너지는 우주 탄생 직후 약 1000억 분의 1초에 해당하는 시기의 에너지와 비슷하다. 즉, LHC가 초기 우주 상태를 재현하며 우주탄생과 자연법칙의 비밀을 파헤칠 단서를 제공하는 것이다.
소립자들의 충돌 에너지가 높으면 고에너지에서만 일어날 것으로 예상되는 갖가지 현상들을 관찰할 수 있다. 아직 인류가 양성자 질량의 1천배 정도 되는 에너지 영역을 탐사하지 못했기 때문에 과연 LHC가 무엇을 보여줄 것인지 확실한 것은 없다. 그러나 과학자들은 이 영역에서 현재 물리학이 처한 난제들을 해결할 실마리를 찾을 수 있을 것으로 기대하고 있다.
무엇보다 '신의 입자(God Particle)'로 알려진 힉스(Higgs) 입자를 LHC가 발견할 것인지가 최대의 관심사다. 지금까지 과학자들이 밝혀 낸 소립자는 물질을 구성하는 6쌍의 구성입자(페르미온, fermion)와, 힘을 전달하는 4개의 매개입자(보존, boson)들이다.
세상은 도대체 무엇으로 만들어졌을까라는 인간의 원초적인 질문에 대한 답이 여기 모두 들어있다. 이 소립자들은 표준모형의 틀로 잘 이해된다. 표준모형에 의하면 자연에는 '게이지 대칭성'이 있다.
게이지 대칭성이란 우리가 입자들을 관측하는 틀을 바꾸더라도 물리법칙은 변하지 말아야 한다는 대칭성이다. 만약 물리법칙이 실험자의 편의에 따라 마구 바뀐다면 그것은 보편적인 법칙으로서의 의미를 잃어버릴 것이다.
게이지 대칭성을 부여하면 힘을 매개하는 입자들은 이 대칭성을 유지하기 위해서 반드시 존재해야만 한다. 매개입자의 필연성은 게이지 대칭성의 가장 매력적인 장점 중 하나다. 이런 식으로 과학자들은 약한 핵력과 전자기력을 통합하였고 강한 핵력도 게이지 이론으로 성공적으로 설명하였다.
그러나 게이지 대칭성이 있으면 모든 입자는 질량을 가질 수가 없다. 대칭성이란 한마디로 '구분할 수 없음'을 의미한다. 정육면체인 주사위에 눈을 표시하지 않으면 어느 면이 어느 면인지 분간할 수 없다. 당구공에 아무런 무늬나 표시가 없으면 공이 회전하고 있는지 알 수 없다. 정육면체나 공이나 모두 대칭성이 무척 높기 때문이다. 소립자들을 서로 구분하는 가장 기본적인 물리량이 질량인데, 게이지 대칭성은 이 구분을 지워버린다.
과학자들은 게이지 대칭성의 모양을 유지하면서 이 대칭성이 적절하게 깨어져 소립자들이 질량을 가지는 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. 이 과정을 '자발적 대칭성 깨짐'이라고 한다.
서울의 명동거리는 항상 사람들로 북적댄다. 그러나 대체로 보면 사람들이 북적이는 정도는 어느 위치, 어느 방향으로나 균일하다. 즉 명동거리를 지나다니는 사람들의 분포에는 일종의 대칭성이 있다. 그래서 우리가 그 사이를 지나가더라도 (사람이 너무 많지만 않다면) 큰 저항을 느끼지 않고 원하는 길을 갈 수 있다.
그런데 그 사람들 중에 최고의 인기스타 이효리가 보통사람처럼 정체를 숨기고 있다가 갑자기 커밍아웃을 한다고 해 보자. 주변에 숨겨둔 카메라도 튀어나온다. 그렇게 되면 순식간에 명동거리는 아수라장이 될 것이다. 이 순간 명동거리의 대칭성은 완전히 깨진다. 이효리를 중심으로 엄청난 인파가 모여들기 때문이다.
그러면 우리는 이효리가 있는 방향으로 움직일 때 큰 저항을 느끼게 된다. 대칭성이 깨지면서 뭔가 균일하던 분포에 큰 변화가 생겼기 때문이다. 힉스 입자가 하는 일이 바로 이와 같다. 우리가 느끼는 저항의 정도가 소립자들이 얻게 되는 질량이라고 볼 수 있다.
힉스 입자는 다른 모든 입자들에 질량을 부여하는 역할을 하기 때문에 '신의 입자'라는 별칭이 붙었다. 표준모형이 나온 지 40년, 다른 모든 소립자들은 발견되었지만 아직도 이 신의 입자는 발견되지 않고 미지의 영역으로 남아 있다. 과학자들이 LHC를 목 빠지게 기다려 온 이유도 그 때문이다.
신은 우주를 창조할 때 초대칭성을 허락하지 않은 것일까?
그러나 LHC에서 힉스 입자만 달랑 발견되고 만다면 전 세계 수많은 과학자들은 크게 낙담할 것이 분명하다.
과학자들은 항상 뭔가 새로운 것을 보고 싶어 한다. 그 중의 하나가 바로 초대칭성(supersymmetry)이다. 초대칭성은 스핀(spin)이라는 물리량과 관련된 대칭성이다.
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.
페르미온은 같은 양자상태에 똑같은 두 입자가 존재할 수 없기 때문에 (파울리의 배타원리) 물질을 구성하는 구성입자이다. 반면에 보존은 힘을 매개한다. 자연에 존재하는 네 가지 힘(중력, 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력)을 모두 느끼는 페르미온을 쿼크(quark)라 하고 강력을 느끼지 못하는 페르미온은 경입자(lepton)라고 한다. 전자(electron)나 중성미자(neutrino)가 이에 속한다. '신의 입자'로 불리는 힉스 입자는 스핀이 '0'이라 힉스 보존이라고도 한다.
초대칭성(supersymmetry)은 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. 이 뿐만 아니라, 각 입자와 그 초짝을 물리이론에서 서로 뒤바꾸더라도 물리법칙은 동일하다. 원래 입자와 그 초짝은 스핀이 1/2만큼 차이가 난다.
초대칭성은 미학적으로도 아름다울 뿐만 아니라 표준모형의 여러 문제들을 해결한다. 먼저, 표준모형에서는 힉스 보존의 질량에 대한 양자역학적 보정이 통제하기 어려울 정도로 커진다. 이 때 으뜸 쿼크(top quark)가 가장 큰 효과를 발휘하는데, 초대칭성이 있다면 초으뜸 쿼크가 이 효과를 정확하게 상쇄하여 힉스 보존의 질량을 안정시킨다.
둘째, 전자기력과 강력과 약력의 결합상수들은 양자효과 때문에 그 세기가 에너지에 따라 변한다. 과학자들은 이 세 값이 아주 높은 에너지에서 거의 하나로 일치한다는 점을 밝혀냈다. 그러나 표준모형에서는 눈에 띌 정도로 세 값이 어긋나 있다. 초대칭성은 세 값을 만족할만한 수준으로 일치시킨다. 결합상수들의 값이 제각각이더라도 큰 문제가 있는 것은 아니지만, 세 가지 힘의 크기를 표현하는 결합상수들이 원래 하나의 값이었다면 물리이론은 그만큼 더 아름다울 것이다.
불행히도 실험적으로 우리는 아직까지 초입자(super particle)를 본 적이 없다. 자연의 초대칭성이 정확하다면 예컨대 전자의 초짝은 전자와 질량이 같기 때문에 여태 발견되지 않았을 리가 없다. 신은 우주를 창조할 때 초대칭성을 허락하지 않은 것일까?
과학자들은 자연에 초대칭성이 있더라도 그것이 적절하게 깨져 있으면 초입자들의 질량이 충분히 커서 아직까지 발견되지 않았을 수도 있다는 가능성에 무게를 두고 있다. 힉스 보존의 질량을 자연스럽게 안정시키려면 초입자들의 질량은 대략 양성자 질량의 약 1천배 정도 될 것으로 예상된다.
이 정도면 LHC가 충분히 넘어설 수 있는 에너지다. 과학자들의 예상이 맞다면 1년에 대략 수만 개의 초입자가 LHC에서 만들어질 것이다. 짚신도 짝이 있다는데, 전자가 발견(1898)된 지 꼭 110년 만에 LHC가 과연 다른 모든 소립자들의 초짝을 찾을 수 있을지 무척 기대된다. 한국 과학자들도 초대칭성 분야에서 최근 많은 공헌을 하고 있다.
역사적인 대장정에서 뒤처진 한국
LHC는 또한 우주 물질의 대부분을 차지하는 암흑물질(dark matter)을 만들어 낼지도 모른다. 암흑물질은 말 그대로 빛을 내지 않는 물질이다. 관측상으로는 보이지 않지만 그 중력효과 등 여러 가지 간접적인 효과 때문에 과학자들은 그 존재를 확신하고 있다.
그러나 그 정체가 무엇인지는 아직 알지 못한다. 다만 우리가 평소 지구에서 흔히 보는 물질이 아님은 분명하다. 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. 물론, 전혀 색다른 형태의 입자가 암흑물질일 가능성도 배제할 수 없다.
이밖에도 LHC는 우리가 살고 있는 4차원 시공간에 부가적으로 있을지도 모르는 새로운 공간차원을 실험적으로 검증할 수 있다. 새로운 공간이 열리면 4차원에서 관측된 보통의 입자들 위로 여러 층의 새로운 입자들이 생겨난다. 이 입자들의 성질을 연구하면 부가차원이 몇 차원인지, 그 모양은 어떠한지를 알 수 있다.
부가차원(extra dimension)은 아주 큰 에너지를 공간의 요소로 흡수할 수 있기 때문에 힉스 입자의 질량에 대한 양자보정을 쉽게 안정시킬 수 있다. 또한 LHC처럼 비교적 낮은 에너지에서도 블랙홀이 만들어질 수 있다.
이 때문에 몇몇 단체들이 LHC 가동을 중지하는 소송을 유럽인권법정과 미국 호놀룰루 연방지방법원에 내기도 했다. LHC가 만들어낼 블랙홀이 지구를 삼켜버릴지도 모른다는 것이 그 이유다. 그러나 이렇게 만들어진 블랙홀은 그 크기가 원자핵보다도 훨씬 작고 수명 또한 대단히 짧기 때문에 지구를 삼킬 가능성은 거의 없다.
게다가 우리가 살고 있는 우주 공간에서는 LHC보다 더 높은 에너지를 가진 입자들이 무수히 충돌하며 LHC와 같은 실험을 백억 년 이상 해 왔다. 우주 자체가 하나의 거대한 가속기인 셈이다.
그럼에도 행성이나 별이나 은하는 비교적 안정된 상태로 오랜 세월 자신의 천수를 다 누린다. 따라서 우주에서 입자들이 LHC와 유사한 충돌을 해서 설령 블랙홀이 만들어졌다 하더라도 천체의 안정성에 큰 문제를 야기하지는 않았다는 결론을 내릴 수 있다. 실제 LHC에서 운영하는 안정성 사정 집단은 이런 근거로 LHC 실험이 안전하다고 결론내렸다.
한국은 LHC에서 중요한 역할을 하는 입자검출기 제작에 일부 참여하고 있다. 그러나 사회 전반적으로 기초과학을 홀대하거나 큰 관심을 두지 않기 때문에, 인간 지성의 최전선에서 그 경계를 한발자국 넓히려는 이 역사적인 대장정에서 많이 뒤처져 있다.
LHC가 가동되는 CERN에서 인터넷이 처음 생겨났다는 점을 굳이 상기하지 않더라도, 항상 보다 근본적인 것을 추구하고 주어진 경계를 뛰어 넘으려는 인류의 도전은 그 자체로 가치 있는 일이다.
대한민국이 지난 60년간 급속한 경제성장과 민주화를 이루었지만, 국가 차원에서 근본과 가치를 추구하지 않는 이상 '졸부'의 오명을 벗기는 어려울 것이다. 이제부터라도 품격 있는 대한민국을 만들려고 한다면, 가장 먼저 눈길을 돌릴 곳이 바로 열악한 환경 속에서 서서히 죽어가고 있는 우리 기초과학의 현실이다.
덧붙이는 글 | 이 기사는 대덕넷에도 실렸습니다. 오마이뉴스는 직접 작성한 글에 한해 중복 게재를 허용하고 있습니다. 이종필 기자는 고등과학원 물리학부 연구원입니다.