새 소립자 ‘힉스 입자’ 맞나?…연말쯤 확인 가능

힉스입자일 경우 물리학계 '표준모형' 완성…질량 생성의 기원 이해
힉스입자 아니더라도 그 자체로 의미


전세계 물리학계가 지난 20년간 찾아헤맨 힉스 입자(Higgs Boson)로 추정되는 소립자를 발견해 흥분하고 있다. 그러나 이 입자가 힉스 입자가 맞는지, 또 다른 입자인지는 올해 연말에야 확신할 수 있을 것으로 전망된다.

유럽핵입자물리연구소(CERN)는 4일 대형강입자충돌기(LHC)를 통해 지난달까지 얻은 실험 데이터를 바탕으로 "힉스 입자 이론에 부합하는 새 소립자(素粒子)를 발견했으며, 잠정적인 결과이지만 힉스 입자로 매우 강하게 추정된다"고 밝혔다.

CERN은 지난해 12월 저에너지 범주인 126GeV(기가전자볼트) 영역에 힉스 입자의 흔적이 집중돼있었다고 밝힌 바 있다. 그러나 당시에는 실험의 신뢰도가 새로운 발견에 요구되는 5시그마 수준에 크게 못 미쳐 가능성만 확인했다. 5시그마는 170만번 중 1번의 실수가 나타날 정도의 신뢰도를 말한다.

이후 CERN은 대형강입자충돌기의 에너지를 지난해 7TeV에서 올해 8TeV로 높여 실험했고 기대했던 것보다 많은 양의 데이터를 수집, 4~11일 열리는 국제고에너지물리학회(ICHEP) 기간에 맞춰 발표하기에 이르렀다.

입자 검출은 양성자와 양성자를 양쪽에서 빛에 가까운 속도로 가속해 충돌시켜 생기는 새로운 입자를 검출기가 포착해 확인한다. 그러나 힉스 입자는 아주 짧은 시간 동안만 존재하다가 곧바로 다른 입자들로 붕괴하기 때문에 분석이 쉽지 않다.

CERN은 실험의 신뢰성을 높이기 위해 CMS와 아틀라스 등 2개팀으로 나눠 힉스 입자를 추정해왔다. CMS팀은 "125GeV의 질량 대에서 통계적 의미를 갖는 사건들을 관측했다"며 "우리는 지금까지 관측되지 않은 125GeV의 질량을 가진 새로운 입자의 생성 때문으로 해석한다"고 말했다. CERN은 광자, 전자, 뮤온 등을 5개의 사건형태로 나눠 실험했으며 일부 결과를 합산하면 5시그마에 이른다고 밝혔다.

박인규 서울시립대 물리학과 교수는 "CERN의 지난해 발표는 외계인이 지나간 단서를 발견했다는 것이고, 이번에는 외계인을 포착하긴 했으나 우리가 찾던 화성인인지, 예상치 못한 또 다른 외계인인지는 추가 실험이 필요하다는 뜻"이라고 설명했다.

CERN의 실험 속도가 매우 빨라졌기 때문에 지금까지 얻은 데이터의 3배 수준을 올해 12월께 얻고 발견된 새로운 입자가 힉스인지 확정할 수 있을 것으로 보인다.

고병원 고등과학원 물리학부 교수는 "발견된 새 입자의 성질이 표준모형에서 말한 힉스 입자와 많이 비슷하지만, 일부 실험결과에선 부족함이 있다"며 "실험 데이터가 더 모이면 표준모형에서 유일하게 찾지 못한 힉스 입자가 맞는지 알 수 있을 것"이라고 말했다.

힉스 입자가 맞다면 물리학계의 '표준모형'을 완성할 뿐 아니라, 질량의 생성 기원을 이해하는데 도움될 것으로 기대된다. 입자들을 수학적으로 완벽하게 기술할 수도 있다. 또 중력·전자기력·약한 핵력·강한 핵력 등에 이은 제5의 힘을 발견하는 의미가 있다. 물리학계가 흥분하는 이유다.

박 교수는 "이번 연구성과로 미지의 새로운 물리학을 찾는 입자 탐색의 영역이 넓어질 것"이라며 "만약 힉스 입자가 아니더라도 그 자체로 의미가 있다"고 말했다.