어째서 이 우주는 존재하는가

어째서 이 우주는 존재하는가

--힉스 발견은 시작에 불과하다.--

 

 

 

어째서 이 우주는 존재하는가? 힉스입자, 중력파에 이은 현대물리학 최대의 테마에 다그친다.

힉스 발견은 시작에 지나지 않다. 왜 초대칭성이 필요한가? 표준이론에 남겨진 <계층성문제>를 해결하고 수수께끼였던 <암흑물질>의 정체를 밝히며 다시 <힘의 대통일>이 달성된다.

소립자와 시공을 결합하여 <어째서 이 우주가 존재하는가?>하는 근원적인 물음에 CERN.(유럽 입자 물리학 연구소(프랑스어/Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire, CERN)는 스위스 제네바와 프랑스 사이의 국경지대에 위치한 세계 최대의 입자 물리학 연구소이다.). LHC에서 일본팀을 이끌어서 힉스입자발견에 참여하고 있는 고바야시 도미오(小林富雄) 교수가 도전한다.

 

 

머리에

 

이 자연계는 대칭성이 차 넘치고 있다. 아름다운 눈의 결정이나 수정, 태양이나 만월, 식물의 잎, 그리고 동물에도 대칭성이 보인다.

우리들이 대칭성이라 하는 말로 먼저 떠오르는 것은 좌우 대칭일 것이다. 사람의 얼굴이나 나비처럼 거울에 비치는 상과 같이 되는 경상(鏡像)대칭성 말이다. 그리고 태양이나 만월처럼 원(圓)이다. 이것은 회전(回轉)대칭성이라고 해서 어느 각도로 회전해도 같아진다.

우리들의 미적 감각 중에도 대칭성은 깊이 침투해 있는 것 같다. 사람이 만든 건축물이나 회화, 미술품에도 대칭성은 많이 쓰이고 있고 음악에서도 어떤 종의 대칭성이 잠겨있다. 들어서 기분이 좋은 협화음 등은 그 예이다.

그러나 이 세상에서 완전무결한 대칭성은 드물다는 것도 또 확실한 일이다. 지금 든 예도 엄밀히 수학적인 대칭성에서는 다소 어긋나 있다는 것도 확실한 일이다.

영국의 철학자 프라시스 베이콘도 <균형(proportion)에서 어떤 기묘함이 없는 데에 훌륭한 아름다움은 없다.>고 말하고 있다. 음악에서도 불협화음이 들어가서 협화음이 아름다움이 끌어 당겨지는 효과가 있다.

자연계가 어떻게 되어서 어떤 구조로 작용하고 있는지 물질을 구성하는 궁극의 입자는 무엇인지 우주는 어떻게 시작한 것일까--- 이런 수수께끼에 도전하고 있는 것이 소립자물리학이다.

모든 물질은 분자, 원자로 되어 있다고 하는 것은 중학교에서 배우지만 원자는 다시 전자와 원자핵으로 구성되고 원자핵은 양자와 중성자로 이루어지고 있다는 것도 잘 알려지고 있다.

다시 그 양자나 중성자도 구조를 가지고 있어서 실은 쿼크(quark=소립자 구릅의 하나로이다. 푸레톤과 함께 물질의 기본적인 구성요소이고, 쿼크는 파트론을 구성한다.)나 굴루온(gluon=파토론 내부에서 강한 상호작용을 전하는 수핀1인 보스입자이다.)이라 불리는 더 작은 소립자로 구성되어 있다는 것도 알고 있다.

소립자물리학의 세계에도 대칭성이 넘치고 있다. 그뿐이 아니라 대칭성이야말로 소립자세계를 지배하는 원리이고 본질적인 것이다.

소립자 사이에는 여러 가지 힘이 작용하고 있는데 그 힘의 근원이 <게지대칭성(표준이론의 토대가 되는 대칭성)>이라는 것이 현재 소립자물리학의 도달점이다. <소립자의 표준이론>이다. 대칭성이 시공이나 여러 가지 공간의 기하학과 밀접하게 관계하고 있음도 밝혀질 것이다.

게이지대칭성에 기초한 이론(일반적으로 게이지이론이라 불린다.)에서는 등장하는 입자의 질량은 모두가 영이다. 그것은 이론에 질량을 가져 들이면 게이지대칭이 깨어지기 때문이다.

그러나 현실의 우리들 세계는 질량을 가진 소립자로 만들어졌다는 것은 분명하다. 이 캡을 매우는 것이 남부요이치로(南部陽一郎) 씨가 고안한 <자발적 대칭성의 파괴>이다. 남부 씨는 이 업적으로 2008년도 노벨물리학상을 받았다.

2012년 7월 <힉스입자>로 보이는 신입자의 발견이 발표되었다. <신의 소립자>라고 불리기도 하는 이 입자는 우주의 빅뱅 직후에 모습을 드러내어 만물에 질량을 주는 역할을 담당하고 있다고 생각되고 있다.

그 <입자에 질량을 주는 기구>를 이론적으로 발견한 것은 피터 히그스(Peter Ware Higgs, 1929년 5월 2일日 - =영국의 이론물리학자)나 프랑소와 앙그레므(François, Baron Englert、1932년 11월 6일 -=벨기에 출신의 이론물리학자) 들로 남부 씨의 <자발적 대칭성의 파괴>의 생각을 응용하여 이 기구를 짜내었다. 다시 힉스는 이 기구와 함께 하여 신입자(新粒子)가 존재한다는 것도 예언하였다.( 그래서 <힉스 입자>라 불린다.) 이들 이론적 발견은 1964년의 일이었다.

힉스입자로 보이는 신입자는 2013년에 확실히 <힉스입자>라고 확인되었다. 그리고 앙그레르와 히그스는 2013년도 노벨 물리학상을 받았다. 힉스입자의 발견은 소립자물리학의 역사 중에서 수십 년에 한 번 정도라는 큰 것이었다고 말할 수 있을 것이다.

그래서 우선 매우 아름다운 대칭성과 그것을 교묘하게 파괴하는 기구를 겸하여 갖춘 표준이론은 와성되었다.

그러나 이 우주에는 또 많은 수수께끼가 남겨져있다. 자연계에 존재하는 4개의 힘 중에 3개까지는 표준이론으로 설명되지만 4번째의 중력을 소립자물리적으로 이해하는 데에는 성공하고 있지 않다. 그래서 무엇보다도 표준이론 자체에 불만족한 점이 많이 있다. 그중 큰 것이 힉스입자 자체의 질량을 둘러싼 것이다.

이들 문제의 다수를 해결하고 중력까지 포함한 모든 힘을 통일적으로 이해할 가능성을 비장하고 있는 것이 <초대칭성>이라 불리는 전혀 새로운 대칭성이다.

 

<대칭성과 그 파괴>를 알기 쉽게

 

각각의 소립자는 <스핀>이라 불리는 자전과 같은 성질을 가지고 있다. 초대칭성은 다른 스핀의 소립자를 결합하는 대칭성을 말한다. 또 초대칭성은 시공의 대칭성을 최대한으로 확장한 것으로도 되어 있다. 그러므로 초대칭성은 소립자와 시공을 결합시키는 궁극의 대칭성이라고 생각된다. 다시 그 위에 아직 발견되고 있지 않은 이 대칭성은 다른 대칭성과 같은 조금만 파괴되어 있지 않으면 안 된다.

말이 꼬여서 알기 어렵게 되었다. 이제부터 서서히 해명해 간다. 아무튼 <대칭성과 그 파괴> 가 이 글의 주태마이다.

그리고 도착점은 <초대칭성>이지만 아무리 아름다운 대칭성에 기초한 아름다운 이론이라도 실험적으로 검증되지 않으면 그림의 떡이다.

힉스입자가 발견되어 소립자물리는 이제부터 표준이론을 초월하는 세계의 탐구로 들어간다. 힉스입자를 자세히 조사함으로써 그 앞이 보일 가능성은 크지만 초대칭성을 직접 발견하려고 하는 연구도 현재 진행되고 있다. 어쩌면 수년 후에는 발견이라는 뉴스를 들을 수 있을는지 모른다. 그런 목표를 가지고 실험에 대해서도 소개하고 싶다.

먼저 소립자의 세계에서 보이는 대칭성에 대한 개략과 초대칭성에 대하여 간단히 설명하는 것부터 시작하자. 그러나 초대칭성도 보다 깊이 이해하고 그 아름다움에 언급하기에는 약간의 준비가 필요하다.

그 일보는 <스핀>에 대해서 잘 이해해야 한다. 그러기 위해서는 양자역학과 상대성이론의 지식이 필요한데 가능한 대로 새겨 설명하기로 한다.

그 다음에 스텝이 소립자의 표준이론이다. 이 이론의 근간을 이루고 있는 것은 <게이지대칭성>이다. 이 대칭성과 그것이 어떻게 파괴되고 있는지가 이 우주의 심원한 원리가 되어 있다. 여기까지 이해한다면 초대칭성의 진수에 다그칠 준비가 된 것이다.

여기서 소립자물리분야에서의 일본인의 노벨상 수상이 이어지고 있다. 2015년의 물리학상도 가지다다카아키(梶田隆章) 씨가 뉴트리노 진동의 발견에 의하여 수상했다. 이 업적도 오랜 동안의 노고의 결실이라고 할 수 있다.

초대칭성의 탄생과 발전의 과정에서도 일본인 연구자가 큰 공헌을 하고 있다. 여기까지 이르기에는 여러 가지 면에서 많은 사람이 중요한 역할을 연출한 이야기가 숨겨져 있다.*

 

일본어원문=なぜこの宇宙は存在するのか? ヒッグス粒子発見は始まり …小林富雄『超対称性 理論とは何か』에서

출처=https://gendai.ismedia.jp/articles/-/48186

저자=고바야시 도미오(小林富雄)

1950년생. 도쿄공업대학 졸업. 도쿄대학대학원이학계연구과박사과정수료 이학박사.

1994년부터 2015년까지 ＣＥＲＮ・ＬＨＣ에서의 ＡＴＬＡＳ실험의 일본공동대표 역임