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(神)의 입자' 힉스 발견… 도대체 무엇이길래
(워싱턴 AFP=연합뉴스) 신의 입자로 알려진 '힉스 입자(Higgs boson)'를 추적중인 두 연구기관이 새로운 연구 결과를 이번주 잇따라 발표된다.
미국 일리노이주 국립 페르미가속기연구소(Fermilab)와 유럽입자물리연구소(CERN)는 각각 오는 2일(현지시간)과 4일 힉스 입자에 대한 최신 연구 결과를 공개한다고 밝혔다.
이 연구에는 세계의 물리학자들이 참여를 하고 있는 데 한국에서도 60여명이 참여를 하고 있는 것으로 알려졌다. 그중의 아주 중요한 분야의 연구 일체를 맡고 있다는 보도가 있었다.
힉스 입자는 137억 년 전 우주 탄생 당시 모든 입자에 질량을 부여하고 사라진 입자를 말한다. 1960년대 이론화된 이후 반세기 동안 현대 입자물리학의 가장 유력한 가설인 '표준 모델'에서 핵심 역할을 맡아왔지만 힉스 입자는 존재 유무조차 아직 확인되지 않았다.
이에 따라 새롭게 제시될 미국과 유럽 연구진의 연구 결과가 힉스 입자의 존재 여부를 입증할 수 있을지 전 세계 과학자들의 이목이 쏠리고 있다. 페르미연구소는 이번 발표에서 원형입자 가속기 테바트론(Tevatron)의 자료를 근거로 한 새로운 연구 결과를 공개한다.
테바트론은 지난해 가동이 중단됐으나 연구진은 힉스 입자를 추적하기 위해 그동안 축적된 실험 결과들을 지속적으로 분석해왔다. 페르미연구소의 조 리켄 연구원은 새 연구 결과가 "지난 연구 결과보다 더 구체적인 단서들을 담고 있다"면서 자신감을 보였다. CERN도 지난해보다 두 배 많은 분량의 연구 결과를 발표할 예정이다.
CERN은 테바트론 자료를 이용하는 페르미연구소와 달리 세계 최대의 강입자가속기(LHC)로 힉스 입자를 찾는 노력을 기울이고 있다. 지난해 12월 CERN은 115~127 GeV(기가전자볼트)의 에너지 영역에서 힉스 입자의 흔적으로 보이는 결과를 발표한 바 있다.
[서울신문]“힉스 존재확률 99.99994%”… 4일 현대물리학 운명의 날
ATLAS·CMS팀 호주 학회서 검출실험 결과 발표 예정
현대 물리학 '운명의 날'이 밝았다. 지난 반세기 동안 물리학자들이 추적해 온 '신의 입자' 힉스의 존재 여부가 4일부터 11일까지(현지시간) 호주 멜버른에서 열리는 고에너지학회에서 발표되기 때문이다.<서울신문 6월 25일자 6면> 힉스 입자를 찾았다는 승리의 선언이 나올 것으로 전망된다. 현대물리학의 근간을 이루는 '표준모형'의 마지막 퍼즐이 드디어 맞춰지게 되는 것이다.
유럽입자물리연구소(CERN)는 거대강입자가속기(LHC)에서 힉스 검출 실험을 진행해 온 ATLAS와 CMS팀이 학회 첫날인 4일 각각의 연구성과를 발표할 계획이라고 사전에 공지했다. 4일 오후에 힉스 존재 여부에 대한 최종적인 입장 표명이 예상된다.
물리학계와 주요 외신들은 CERN이 힉스 입자 존재 가능성에 대해 '확실' 또는 '거의 확실하다.'고 선언할 것으로 내다보고 있다. 네이처는 "CERN 핵심 관계자가 '우리는 의심의 여지가 없는 발견을 했다'고 말했다."면서 "ATLAS와 CMS가 추산한 힉스 존재 가능성이 4.5~5시그마 정도로 알려지고 있다."고 전했다. 5시그마는 힉스가 존재할 가능성이 99.99994%에 이른다는 뜻이며, 500만번에 한번 정도 오류가 발생하는 확률이다. 5시그마는 일반적으로 실험을 통한 과학적 발견이 공인받는 데 필요한 최소 요건으로, 이를 충족하면 곧 힉스가 있다는 의미로 풀이된다.
지난 2일 미국 페르미연구소가 지난해 가동을 멈춘 초대형 가속기 테바트론의 10년간 운영 데이터를 종합해 발표한 힉스 입자 존재 확률인 99.82%를 크게 뛰어넘는 쾌거다. 네이처는 "CERN의 ATLAS팀이 지난주 125Gev(기가전자볼트) 영역에서 힉스로 확실시되는 흔적을 찾아낸 것으로 보인다."면서 "이는 힉스의 질량이 양성자의 125배 정도 된다는 뜻으로, 지난해 CERN이 발표한 115~127Gev 영역 내에 있으며, 힉스의 질량이 매우 클 것이라는 기존의 예측과도 일치한다."고 설명했다.
CERN의 힉스 발견이 미국이 주도해 온 거대과학의 구도 재편으로 이어질 것이라는 주장도 제기된다. 과학·정보기술 전문 와이어드는 "미국이 10년 넘게 막대한 자금을 투입하고도 찾지 못한 힉스 존재 확인의 영예를 유럽이 수행하는 것은 미국의 자존심에 큰 상처를 내는 것"이라고 밝혔다.
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[용어설명] 힉스입자는 ?
현대물리학은 '세상은 무엇으로 만들어졌을까.'라는 본질적인 질문에 1960년대부터 '표준모형'으로 답해 왔다. 모든 물질은 6쌍의 구성입자와 힘을 전달하는 4개의 매개입자로 구성돼 있다는 것이다. 이들 16개 입자는 이미 실험을 통해 검출됐지만, 각 입자의 성질과 질량이 어떻게 만들어졌는지는 규명되지 않았다. 1964년 피터 힉스 에든버러대 물리학과 교수는 "137억년 전으로 추정되는 '빅뱅' 직후 이들 입자들에 질량과 성질을 부여한 또 다른 무거운 입자가 있었다."는 가설을 제시했고, 고 이휘소 박사가 그의 이름을 따 '힉스'로 명명했다. '신의 입자' '창조의 천사'라는 별칭으로도 불리는 힉스가 발견되면 최종적으로 표준모형은 17개의 입자로 완성되지만, 힉스가 없는 것으로 입증되면 물리학계는 새로운 이론을 찾아야 하는 과제를 떠안게 된다.
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신의 입자 '힉스' 발견 = UFO 시대
우주 만물을 탄생시킨 '신(神)의 입자(粒子)' 힉스(Higgs)가 발견됐다. 유럽입자물리연구소(CERN)는 4일 스위스 제네바에서 "물질을 이루는 기본 입자 중 가장 핵심적인 힉스와 일치하는 입자를 발견했다"고 발표했다. 인류가 새로운 입자를 발견한 것은 1995년 이후 처음이다. CERN 연구에 참여한 박인규 서울시립대 교수는 "전자가 발견되면서 오늘날의 IT(정보통신) 시대가 가능해진 것처럼 새로운 입자 발견은 늘 새로운 문명을 가져왔다"며 "힉스 발견이 앞으로 어떤 결과를 가져올지 기대된다"고 말했다.
힉스는 우주탄생을 설명하는 입자물리학 '표준모형(standard model)'의 모순을 해결하기 위해 추가된 입자다. 표준모형에 따르면 우주에는 12개 기본 입자와, 이들 사이에 힘을 전달하는 4개 매개입자가 있다. 137억년 전 우주 대폭발(빅뱅) 직후 탄생한 기본 입자에는 질량이 없었다. 하지만 기본 입자들로 구성된 물질에는 질량이 존재한다.
입자에 질량이 없으면 빛의 속도로 움직이면서 다른 입자와 전혀 반응을 하지 않고, 우주 만물도 만들어질 수 없다. 자유롭게 움직이던 기본 입자를 붙잡은 것이 바로 힉스다. 과학자들은 힉스 입자로 가득 찬 공간에 질량이 없던 기본 입자가 빠지면서 질량이 생기고 이동 속도가 느려졌다고 가정했다. 언론의 감시망을 잘도 빠져나가던 스타가 파파라치에게 둘러싸여 꼼짝하지 못하게 된 것과 비슷하다.
CERN은 "실험을 통해 확인한 새 입자의 질량은 125~126GeV(기가전자볼트)로, 양성자(수소이온)의 133배"라고 밝혔다. 이 실험 데이터는 99.99994%(5시그마) 정확하다고 CERN은 밝혔다. 5시그마 이상이어야 '과학적 발견'으로 인정된다.
CERN은 이날 '힉스 발견'이라고 단정하지 않고 '힉스에 일치하는 새 입자 발견'이라고 에둘러 표현했다. 기존 이론에 들어맞는 힉스일 가능성이 확실시되지만, 완전히 새로운 이론으로 설명해야 할 입자일 수도 있다는 이유에서다. 실제로 우주 전체 질량 중 현대물리학으로 설명되는 것은 4%에 불과하다. 롤프 호이어 CERN 소장이 "내가 보는 얼굴이 친구인지, 친구의 쌍둥이 형제인지 알아낼 필요가 있다"고 한 것도 그 때문이다. 박인규 교수는 "그토록 고대하던 외계인을 발견한 것은 사실이지만, 우리가 찾던 화성인인지, 아니면 안드로메다인인지는 아직 모르는 것과 같다"고 말했다.
힉스 입자는 1964년 그 이론을 만든 피터 힉스(83) 영국 에든버러대 교수의 이름을 땄다. 이날 발표 현장에 참석한 힉스 교수는 노벨상 수상이 확실시된다. 물리학의 표준모형을 만들고, 기본 입자를 예견·발견한 사람들은 모두 노벨상을 탔다. 반면 영국의 저명한 물리학자 스티븐 호킹 박사는 씁쓸해졌다. 그는 작년 말 동료 과학자와 내기를 하면서 힉스가 없다는 쪽에 100달러를 걸었다.
우리나라로선 이휘소 박사가 불의의 사고로 세상을 뜬 게 안타깝다. 이 박사는 1972년 힉스 교수가 제안한 가상의 입자에 '힉스 보존(boson·매개입자)'이란 이름을 붙인 인물이다. 그는 기본 입자의 하나인 '참 쿼크'도 처음 예측했다. 살아있다면 그 역시 노벨상 수상은 떼어 놓은 당상이었다.
☞힉스(Higgs)
우주 대폭발(빅뱅) 직후 나타난 기본 소립자에 질량을 부여한 존재로 가정된 입자다. 힉스 입자가 있어야 우주 만물의 탄생을 설명할 수 있다. 1964년 영국의 피터 힉스 교수가 처음 가설을 제시했고 이번에 존재 여부가 밝혀졌다.
☞표준모형(standard model)
1968년 스티븐 와인버그와 압두스 살람이 제시한 입자물리학의 기본 원리. 1897년 톰슨이 기본 입자 중 가장 먼저 전자를 발견했으며, 1995년 미국 페르미연구소가 마지막으로 '톱 쿼크'를 발견했다.
‘힉스 입자’라는 이름을 붙인 건 ‘ 무궁화 꽃…’ 실제 모델 이휘소 박사
유럽입자물리연구소의 거대강입자가속기에서 힉스 입자가 두 개의 광자
(노란 점선과 초록 막대)로 붕괴되는 모습. 유럽입자물리연구소 제공
‘힉스 입자’에 가까운 소립자 발견
꼭꼭 숨은 ‘신의 입자’ 힉스 머리카락 보였다. 현대물리학 ‘40년 난제’ 풀 단서 그동안 찾던 힉스인지 더 확인해야 전혀 다른 입자로 확인될 수도
유럽입자물리연구소(CERN·세른)가 4일 ‘힉스 입자’에 가까운 소립자를 발견했다고 밝힌 것은 현대 물리학이 지난 40년 동안 천착해온 난제를 풀 단서를 찾았다는 의미를 지닌다.
현대 물리학은 우주 삼라만상의 형성과 존재를 표준모형으로 설명하고 있다. 표준모형은 우주를 형성하는 물질과 힘이 6개의 중입자와 6개의 경입자, 힉스를 포함한 5개의 보손(힘)의 상호작용으로 구성된다는 이론으로, 힉스만이 유일하게 발견되지 않아왔다.
세계 입자물리학자들은 스위스와 프랑스 국경에 설치된 27㎞의 거대강입자가속기에서 양성자와 양성자를 충돌시켜 힉스 입자의 존재를 찾아왔다. 137억년 전 빅뱅 때 순간적으로 존재했던 힉스 입자는, 사라지면서 다른 입자들에 질량을 부여한 것으로 학자들은 추정하고 있다. 박성찬 성균관대 물리학과 교수는 “힉스의 발견은 단순히 있을 수 있는 현상을 규명하는 것이 아니라 물질세계의 가장 깊은 원리가 작동하는지 확인하는 것”이라고 말했다.
강입자가속기에서 고에너지의 양성자 충돌이 일어나면 ‘미니 빅뱅’이 일어나 순간적으로 힉스가 생긴다. 힉스는 생성되자마자 다른 입자로 붕괴되기 때문에 검출되지 않는다. 과학자들은 붕괴 뒤에 생성되는 입자들을 검출함으로써 힉스의 존재를 확인하는 방법을 쓴다.
그동안 세른과 미국 페르미연구소는 데이터를 분석해 힉스가 일정 범위의 에너지 영역에 존재할 것이라는 계산을 내놓았지만, 이번처럼 입자의 존재를 증명하는 데는 실패했다. 세른 시엠에스(CMS)그룹의 한국대표인 박인규 서울시립대 물리학과 교수는 “비유하자면, 그동안의 연구성과가 외계인이 지나간 흔적을 발견한 것이라면 이번에는 외계인을 포착한 것”이라며 “다만 우리가 찾던 화성인을 발견한 것인지, 엉뚱하게 안드로메다에서 온 외계인을 발견한 것인지는 더 확인해야 한다”고 말했다.
연구팀이 힉스가 광자, Z보손, W보손, 보텀쿼크, 타우 등의 입자로 붕괴되는 값을 측정한 결과 광자와 Z보손으로 붕괴되는 현상에서는 힉스 입자임이 거의 확실하게 나타났지만, 나머지 입자들에서는 힉스 입자임이 증명되지 않았다.
고병원 고등과학원 물리학부 교수는 “올해 말까지 더 많은 데이터로 분석하고 나면 이번에 발견한 입자가 표준모형에서 찾던 힉스인지 확인될 것”이라며 “표준모형이 아닌 초대칭모형 등 다른 모형의 힉스(질량 부여 입자)이거나 전혀 예상하지 못한 입자로 확인될 수도 있다”고 말했다.
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힉스 입자
힉스 입자는 1960년대에 물리학자들이 입자물리학의 난제들을 푸는 과정에 우주 만물의 존재를 설명하려면 모든 입자에 질량을 부여하는 입자가 존재해야 한다는 가설을 내세우면서 세상에 알려졌다. 이 입자는 빅뱅 이후 우주의 모든 물질을 17개의 기본 입자로 설명하는 현대 물리학의 표준모형에서 질량을 부여하는 핵심적인 입자로 추정돼왔다. ‘힉스’라는 이름은 한국 출신 입자물리학자인 고 이휘소 박사가 1972년 논문에서 1964년 이 입자를 예견한 영국 물리학자 피터 힉스(83)의 이름을 따서 처음 사용했다. 이날 기자회견장에 참석한 힉스는 “내 생애에서 믿기지 않는 일이 일어났다”며 감격해했다.
이근영 선임기자 kylee@hani.co.kr
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[세계파이낸스] 물리학 쾌거, '힉스입자'서 잊혀진 인도 과학자 '보스'
유럽입자물리연구소(CERN)가 마침내 힉스 입자(Higgs boson)로 추정되는 소립자를 발견했다는 낭보에 4일 인도 과학계는 씁쓸한 입맛을 다셨다.
연합뉴스에 따르면 힉스 입자를 구상하는 데 이바지한 인도 물리학자 사티엔드라 나드 보스가 거의 주목받지 못했기 때문이다.우주 탄생의 비밀을 밝혀줄 열쇠로 알려진 힉스 입자는 지난 1964년 새로운 입자의 가능성을 제시한 영국 물리학자 피터 힉스의 이름을 따 명명했다.
그러나 보통은 힉스 입자로 불리는 '힉스 보존'이 보스의 이름을 딴 것이기도 하다는 사실을 아는 사람은 많지 않다고 월스트리트 저널이 보도했다고 연합뉴스가 전했다. 1894년 인도 캘커타에서 태어난 보스는 1920년대 알베르트 아인슈타인과 함께 입자의 움직임에 대한 통계인 '보스-아인슈타인 통계'를 개발했다.
보스와 아인슈타인의 연구를 바탕으로 과학자들은 우주에 존재하는 모든 물질이나 입자가 서로 떨어지려는 성질과 뭉치려는 성질의 두 가지로 나뉜다고 봤다.이 중 한 곳에 모이려는 성질의 입자를 보스의 이름을 따 '보존(boson)'으로 불렀다.
CERN이 찾고 있는 힉스 입자도 보스-아인슈타인 통계를 따르는 입자인 '보존'의 일부다. 그러나 정식 명칭인 '힉스 보존'에서 힉스의 'H'만 대문자로 표시된다. 보존과 관련한 연구로 다수의 과학자가 노벨상을 받았지만 정작 보스는 노벨상을 수상하지 못했으며, 학계 외에는 이름이 알려지지 않았다.
지난해 인도 일간지 타임스 오브 인디아는 "불행히도 보스는 쉽게 잊혀졌을 뿐 그 누구도 알아주지 않는다"며 안타까움을 표하기도 했다.
세계파이낸스 뉴스팀 fn@segyefn.com |
