입자와 우주 1강. 표준모형: 물질의 최종 목록

세계의 모든 물질은 쿼크 6종과 렙톤 6종으로 만들어집니다. 인류는 이 목록을 완성했지만, 목록이 왜 이 모양인지는 아직 모릅니다.

풀고 시작

원자에서 쿼크까지, 내려가는 계단

"물질의 최소 단위는 무엇인가"라는 질문의 답이 지난 150년 동안 몇 번이나 바뀌었는지 아시나요? 세 번입니다. 19세기 화학은 원자(atom)를 최종 단위로 보았습니다. 그러나 1897년 톰슨이 원자에서 전자를 꺼냈고, 1911년 러더퍼드가 원자 중심의 핵을 발견했으며, 1932년 채드윅이 핵 속의 중성자를 찾아냈습니다. 원자는 양성자, 중성자, 전자의 조합으로 해체됐죠.

이야기는 거기서 끝나지 않았습니다. 1950~60년대 가속기 실험에서 수백 종의 새 입자가 쏟아져 나왔고, 물리학자들은 이 "입자 동물원"에 질려 버렸습니다. 1964년 겔만(Gell-Mann)과 츠바이크(Zweig)는 이 동물원 전체가 더 작은 구성 요소 몇 개의 조합이라고 독립적으로 제안합니다. 겔만은 그 이름을 조이스의 소설 『피네간의 경야』 한 구절에서 따와 쿼크(quark)라고 불렀죠. 1968년 스탠퍼드 선형가속기(SLAC)의 심층 비탄성 산란 실험이 양성자 내부의 점 구조를 실제로 확인하면서, 쿼크는 수학적 편의가 아니라 실재가 되었습니다.

12개의 벽돌: 쿼크 6종과 렙톤 6종

표준모형(Standard Model)의 물질 입자 목록은 놀랍도록 짧습니다.

우리 주변의 안정된 물질은 사실상 1세대만으로 만들어집니다. 양성자는 uud, 중성자는 udd이고, 여기에 전자를 더하면 주기율표 전체가 나옵니다. 2세대와 3세대는 1세대의 무거운 복사본처럼 행동하며 순식간에 붕괴하죠. 뮤온이 발견됐을 때 라비(Rabi)가 "누가 저걸 주문했나"라고 물었다는 일화는, 세대가 왜 셋인지 지금도 모른다는 사실을 요약합니다. 마지막 조각인 꼭대기 쿼크는 1995년 페르미랩에서야 발견됐습니다.

2012년, 마지막 퍼즐: 힉스 보손

그런데 표준모형의 수학은 한 가지 대가를 요구했습니다. 이론의 대칭성을 그대로 두면 모든 기본 입자의 질량이 0이어야 한다는 것입니다. 1964년 힉스(Higgs), 앙글레르(Englert) 등은 우주 전체를 채운 힉스 장(Higgs field)이 대칭을 숨기고, 입자들이 이 장과 상호작용하는 정도만큼 질량을 얻는다는 해법을 내놓았습니다. 이 장의 존재 증거가 힉스 보손이라는 입자죠.

예측 후 48년이 지난 2012년 7월 4일, CERN의 거대 강입자 충돌기(LHC)에서 ATLAS와 CMS 두 실험이 질량 약 125 GeV의 힉스 보손 발견을 발표합니다. 이듬해 앙글레르와 힉스는 노벨상을 받았습니다. 이 발견으로 표준모형이 예측한 입자는 전부 확인됐습니다. 물질 입자 12종에, 힘을 매개하는 광자, 글루온, W와 Z 보손, 그리고 힉스 보손까지. 목록이 닫힌 것이죠.

성공의 정점에서 드러나는 한계

표준모형은 역사상 가장 정밀하게 검증된 과학 이론입니다. 전자의 자기 모멘트 예측은 실험값과 소수점 아래 10자리 넘게 일치합니다. 그런데 바로 그 성공이 문제입니다. 표준모형은 중력을 아예 포함하지 않습니다. 우주 물질의 대부분을 차지하는 암흑물질에 해당하는 입자가 목록에 없죠. 중성미자는 원래 질량이 0이어야 했지만 1998년 중성미자 진동 관측으로 질량이 있음이 확인됐습니다. 그리고 입자 질량, 결합 세기 등 20개 가까운 숫자를 이론이 설명하지 못하고 실험에서 받아 적습니다. 표준모형은 최종 이론이 아니라, 더 깊은 이론의 저에너지 그림자일 가능성이 큽니다. 그 힘들의 구조는 다음 강에서 봅니다.

인출 문제

생각해볼 질문 (정답 없음)

• 쿼크는 단독으로 꺼내 관측할 수 없습니다. 원리적으로 분리 불가능한 대상을 "실재한다"고 말할 근거는 무엇일까요.
• 물질 입자의 세대가 하필 셋인 이유를 묻는 것은 과학의 질문일까요, 아니면 "왜 무언가가 존재하는가"류의 형이상학적 질문일까요.

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