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우주적 물리학도 레이의 연구실

우주적 물리학도가 되고 싶은 레이의 물리블로그입니다. 물리이야기도 쉽게 소통할 수 있다는 믿음의 끈을 꼭 쥐고 있습니다. by cosmic-ray


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  1. 2009.01.13 LHC에서의 CMS 실험 (3/3)(2)

LHC에서의 CMS 실험 (3/3)



3. LHC에서 확인하고 싶은 것

오랜 시간과 막대한 자본을 들여서 만든 실험이다 보니 밝혀내고 싶은 진실도 너무 많다. 입자물리 분야는 표준모형이라는 이름으로 어느 정도 이론이 정립되어 있지만 실험에 의해 100% 규명되지 못한 상태이다. (힉스보존이 발견되었다는 증거가 나온다면 이 부분 해결이다!) 연구를 하면 할수록 표준모형 이상의 설명이 필요하다는 의견이 대두되어 학자들 사이에서는 확인하고 싶은 것이 아주 많은, 텃밭이다. 그런 의문점을 풀고자 설계된 것이 LHC 실험이니 실험의 목적이 얼마나 다양하겠는가. (물론 그 목적에 맞게 일일이 다른 실험을 수행한다는 것은 아니다.) 힉스보존의 존재 여부도 알고 싶고 사람들이 표준모형을 넘는 새로운 물리의 하나로 생각하고 있는 초대칭 모형이 정말 맞는지도 확인하고 싶고 우주 구성성분 중 압도적인 비율을 차지한다는 암흑 물질과 암흑에너지에 대한 실마리도 찾고 싶고……. 이 실험 결과들을 분석하여 얻고자하는 것이 참 많다. 그 중에서도 이번에는 그 중 으뜸주제로 여겨지는 힉스라는 입자의 탐색에 대해서 좀 더 자세히 보도록 하자.


▶ 힉스보존의 존재여부 규명


앞에서 간단하게 보았던 표준모형에 등장하는 기본입자들과 힘을 매개하는 입자들 중에는 힉스라는 이름을 가진 것이 없었다. 그럼 그보다 더 근본적인 입자라는 것인가? 아니다. 힉스 입자는 물질을 직접 구성하는 입자도 아니고 기본 힘을 매개하는 것도 아니다. 힉스 입자는 이론적으로 다른 입자들에 질량을 부여하는 입자이다. 에너지 보존 법칙에 따르면 붕괴하기 전 상태의 질량보다 큰 질량을 갖는 입자가 나올 수가 없는데, 중성자(약 1GeV)가 약한 상호작용에 의해 베타 붕괴할 때 자기보다 훨씬 더 무거운 W 보존(약 80GeV)이 등장할 수 있는(n0 → p+ + e− + -νe) 이유는 힉스가 관여하는 것으로 설명이 가능하다는 것이다.

표준모형에서 이야기하는 힉스보존에 대해 좀 더 자세히 이해하기 위해서는 양자장론을 공부하는 것이 좋다. 하지만 그 내용이 어려우므로 여기서는 개념적인 이해만이라도 해보자. 태초에 우주는 완벽한 진공 상태가 아니라 힉스장으로 채워져 있었다. 이 힉스장의 진공기대치는 영이 아니어서 이 장과의 상호작용을 통해 모든 입자들이 질량을 갖게 되었다. 질량이 생긴 입자들은 상호작용을 통하여 뭉치고 흩어져서 현재와 같은 우주로 진화했다.

양자장론에서는 어떤 장을 그것의 라그랑지안으로 기술하는데 이 때 게이지 대칭이 자발적으로 깨질 때 그 과정에서 진공기대치가 영이 아닌 힉스장을 도입하면 그와 결합한 새로운 항들이 생기게 된다. 이 항을 질량으로 해석할 수 있기 때문에 힉스가 질량을 부여한다고 한다. 표준모형에서 논의되는 힉스장은 중성인 것과 양의 전하를 갖는 것이 있는데 각기 질량을 부여하는 대상이 다르다. 어떤 것은 질량이 없는 게이지 보존에 질량을 주어 W 보존의 질량이 영이 아니고 80GeV인 것을 설명할 수 있고 어떤 것은 힉스 보존에 질량을 준다.

표준모형에서 예측하는 모든 입자들은 이미 실험적으로 발견되었으나 힉스만 아직까지 그 존재가 확인된 바가 없다. 다른 것은 다 찾았는데 그것들의 질량을 매개한다는 중요한 역할을 하는 것을 찾지 못하고 있으니, 그 존재유무를 밝히는 실험의 성사여부가 모두의 관심을 끌 수밖에 없다.

이론적 예측에 의하면 LHC 실험을 통해서 힉스 입자를 탐색할 수 있을 것이라고 한다. 무수히 쏟아져 나오는 2차 생성입자들의 정보를 이용하여 직접적으로 검출되지 않는 힉스 입자를 어떻게 확인할 수 있다는 것일까?

직접적으로 검출할 수 없으므로 힉스 입자가 붕괴할 때(과정이 다양하다.) 뮤온이 생성되는데 이 뮤온을 검출함으로써 간접적으로 힉스의 존재 여부를 볼 수 있다. 그래서 CMS 검출기가 Compact Muon Solenoid, 뮤온을 이름에 달고 있는 것이다. 앞에서 보았던 그림의 calorimeter 바깥쪽으로 뮤온 검출기가 여러 겹 있는 것으로부터 이 실험이 힉스 입자의 발견에 초점을 맞춰 설계되었기 때문이라는 것을 이해할 수 있다.   





 4. LHC 실험 이후에는...


만약 LHC에서 힉스 입자를 발견 한다고 하면 그것으로 이야기가 끝나는 것이 아니다. 힉스 입자를 발견한다고 하면 그것의 질량, 생성 단면적, 스핀, 붕괴 양상 등의 결과들을 측정하고 그 결과와 이론에서의 예측을 비교하여 현재 이론이 현상을 잘 설명할 수 있는지 확인하여야 한다. 만약 대중적으로 유명한 영국의 이론물리학자 스티븐 호킹의 의견처럼 힉스보존이 발견되지 않는다면 그것이 실험적인 한계에서 우리가 아직 볼 수 없는 것인지, 아니면 이론을 전면적으로 재수정하거나 표준모형을 뛰어넘는 새로운 물리를 받아들여야 하는 것인지 더 많은 이론적 연구와 실험적 검증이 필요해진다. 어느 쪽이든 물리학자들이 더 열심히 뛰어야 할 것이다.


▶ 어? 블랙홀은 어떻게 된거죠?


지금까지의 실험과 이론에 대한 이야기 중에는 블랙홀의 ‘블’자도 언급된 적이 없다. 아, 정정하겠다. 블로그 이야기를 하면서 같은 발음이 ‘블’이 나왔으니 취소다. 블랙홀의 ‘홀’자도 언급된 적이 없다. 그러면 무엇이 블랙홀이라는 이름으로 사람들을 공포에 떨게 했나? 아인슈타인의 상대성 이론으로는 LHC에서는 블랙홀이 생성될 수 없다고 한다. 하지만 다른 새로운 이론들에 따르면 마이크로스코픽(느낌을 살려서 영어로!) 블랙홀이 생길 수도 있다고 한다. 이 미시 블랙홀은 우리가 보통 알고 있는 우주에 존재하는, 주변의 모든 물질과 빛까지 빨아들이는 블랙홀이 아니다. 블랙홀이 그렇게 ‘무시무시’한 것은 그 질량이 매우 크기 때문인데 이 미시 블랙홀이라는 것은 질량도 작고 불안정하여 LHC 실험을 삼켜버리고, 유럽을 삼켜버리고 결국 지구를 삼켜버릴 수 있는 시간적 여유가 없다. 많은 물리학자들이 LHC의 안전성에 대해 자기의 이름을 걸고 보장하는 말들을 남겼다. 그들이 자신의 이름에 먹칠을 하고 스스로의 안전까지 버리면서 그러지는 않을테니 한 번 믿어보는 것은 어떨까? 그들의 말이 보고 싶다면 LHC 홈페이지에 가보자.

 

아직도 LHC 실험이 블랙홀 실험이라고 생각하나요?




▶ 참고자료

- 최영일 교수님 발표자료 (2008.09.24 한양대)

- http://public.web.cern.ch

- http://cms.cern.ch

- 물리학과 첨단기술 2008.05월호 <LHC의 물리학>


*대부분의 그림은 위의 참고자료에서 가져왔습니다. 미처 출처를 밝히지 못한 것이 있다면 죄송합니다.




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Comment 2 Trackback 0
  1. 덱스터 2009.01.14 00:11 신고 address edit & delete reply

    흠... 힉스 입자가 질량을 갖는지 갖지 않는지는 아직 합의된 것이 아닌가봐요?? ㅇ-ㅇ

    참, 힉스 입자에 대해서는 『스트링 코스모스』란 책에서 잘 다루었던 것 같더라구요 ^^ 브라이언 그린씨가 쓴 『엘러건트 유니버스』처럼 비전공자용 교양서적인데 좀 더 얇고 한국인 저자가 쓴 책이에요.

    • cosmic-ray 2009.01.17 11:28 신고 address edit & delete

      아, 덱스터님 댓글이 너무 늦었죠. 어디를 다녀와서 이제야 확인했어요. 죄송 ^^;;

      표준모형에서의 힉스보존과 초대칭에서의 힉스보존이 약간 다르게 예측하고 있는 것으로 아는데 그래도 질량이 어느 정도 이상일 것이다, 라는 것은 있죠. 어느 정도 질량일 것이라는 예측이 있기 때문에 LHC 실험을 통해서 볼 수 있을 것이라는 기대도 가능하고요.

      흠 추천해주신 책들 너무 좋은 책들이죠. 좋은 책이라는 것을 알면서도 읽지 않고 있다는;; ㅋㅋ 이번 기회에 읽어봐야겠어요! 고맙습니다. ^^

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