코스모스 시크릿

코스모스 시크릿 - 힉스입자에서 빅뱅 우주론까지
아오노 유리 지음, 김경원 옮김 / 북뱅 / 2014년 5월

우주에서 우리가 알고 있는 물질은 겨우 5%에 지나지 않는다. 나머지 95%는 정체를 모르는 ‘암흑물질’과 ‘암흑에너지’로 이루어져 있다.

힉스입자의 발견은 우주의 모습을 ‘재현하는’ 장치라 일컬어지는 거대가속기 LHC를 통해 정면충돌한 양자가 부서지면, 거기서 부딪치기 전에는 존재하지 않았던 소립자가 튀어나온다는 예언이 실현된 셈이었다. 

보이지 않는 물질인 반물질을 이루고 있는 반입자는 보통의 입자와 전하만 반대이고 성질은 같은 입자이다. 입자와 반입자는 서로 만나면 소멸하는데 CP 대칭성이 깨짐으로써 입자와 반입자의 수에 불균형이 일어나면서 입자가 더 많이 남는 점을 생각하면 쿼크(소립자에 붙은 이름)는 전부 여섯 종류가 있어야 한다는 이론을 마쓰가와 도시히데 씨와 고바야시 마코토 씨가 1973년에 발표하였고 그들은 2008년에 노벨상을 수상, 겔만 씨는 쿼크는 여섯 종류라는 것을 실제로 증명하여 1969년에 노벨상을 수상했다.

힉스씨가 힉스입자의 존재를 예언한 것은 1964년으로, 표준이론에서는 우주의 탄생 당시 소립자에는 질량이 없었다고 생각했지만, 현실의 소립자에는 질량이 있다. 그 이유를 설명하기 위해 힉스입자 개념이 등장했다고 한다. 빅뱅 직후 어떤 현상이 일어나서 소립자가 질량을 갖게 되었고, 그 현상이 ‘대칭성의 자발적 깨짐’이라는 설명이다.

힉스입자를 검출하기 위해 과학자들은 Atlas와 CMS라는 두 가지 검출기를 준비하여 두 그룹의 연구를 진행하였는데, 두 실험 모두 새 입자가 존재한다는 결과를 얻었다. 

갓 탄생한 우주에는 한 종류의 힘만 있었고 초대칭성이 유지되고 있었다는 가정 하에 그 후 3분 동안의 현상들을 예측할 수 있는데 ‘플라즈마 상태’에서 빛은 똑바로 나아갈 수 없었다. 우주 탄생 후 38만 년이 지난 무렵에 원자핵과 전자가 결합하여 수소원자와 헬륨원자가 생겨나고 그 덕분에 빛이나 전자기파가 똑바로 나아갈 수 있는 ‘우주가 맑게 갠’ 상태가 되었지만 전자기파를 이용하는 한 38만 년 이전의 우주의 모습을 볼 수 없었다고 한다. 무게를 갖는 것이 있으면 공간이 뒤틀리고 그 뒤틀림이 시공을 넘어 전해지는 ‘중력파’의 관측을 이용하면 가능성이 있다고 하는데, 이 중력파는 매우 약하여 잡아내기가 어려워서 세계의 많은 연구자들이 노력하고 있다.  

물리학의 최종 목표는 ‘모든 것을 통일하는 것’이라 한다. 표준이론을 넘어서는 ‘통일이론’을 완성하는 것이라고도 할 수 있다.

표준이론의 소립자로는 암흑에너지와 암흑물질을 설명할 수 없는 미스터리로 남아있다. 암흑에너지의 정체와 변화 방식에 의해 우주의 운명이 변하는 만큼, 우주의 팽창모습과 힉스입자를 조사하여 암흑에너지의 정체를 밝혀낼 것이 앞으로의 숙제인 듯하다.

물리학에 별 관심이 없는 독자라면 읽기에 쉽지 않은 책일지도 모른다.