▲리언 레더먼 (Leon M. Lederman)

힉스 입자는 곧 '신의 입자'다. 저자 리언 레더먼(사진)은 1988년 멜빈 슈워츠, 잭 슈타인버거과 함께 공동으로 노벨물리학상을 받았다. 수상 업적은 “중성미자 빔 방법과 뮤온 중성미자의 발견을 통한 경입자의 이중구조 규명”(The neutrino beam method and the demonstration of the doublet structure of the leptons through the discovery of the muon neutrino)이었다.

수상 업적이 좀 까다롭게 다가온다. 하지만 이 책을 읽어보면 그의 업적이 어떤 것인지, 그리고 입자물리학에 어떤 영향을 미쳤는지 자세히 알게 된다.

자연계에는 네 가지의 힘이 있다. 전자기력, 중력, 약력 그리고 강력이다. 강한 상호작용(강력)은 양성자나 중성자들을 원자의 한가운데에 핵으로 모여 있게 하는 힘이다. 양성자는 전기적으로 +이다. 수소원자를 제외하고 모든 원소는 둘 이상의 양성자를 가지고 있다. 전기적으로 +를 띤 양성자들이 어떻게 전기적인 반발력을 이기고 핵으로 뭉쳐 있을 수 있을까?

일본의 물리학자 유카와 히데키는 1935년에 양성자와 중성자가 서로 주고받는 새로운 입자, 파이온이 필요하다는 것을 제안했다. 파이온은 1947년에 우주선을 이용한 실험에서 마침내 발견되었다. 그 공로로 유카와는 1949년에 일본인 최초로 노벨상을 수상했다.

▲유카와 히데키(湯川秀樹, 1907~1981). 그는 1935년 파이온의 존재를 예측한 업적으로 1949년 노벨물리학상을 수상했다.

한편 강한 상호작용을 하는 입자들을 일컬어 ‘하드론’(강입자, hadron)이라고 한다. 양성자(proton)·중성자(neutron) 같은 중입자(baryon), 파이온(pion) 같은 중간자(meson) 등이 이에 속한다.

미국의 머리 겔만은 하드론을 구성하고 있는 안 층으로 ‘쿼크’(quark)를 제시했다. 1970년대  쿼크가 연달아 발견(현재 6종)되었고, 전기적으로 중성인 입자들도 검출되었다. 이 입자들은 쿼크를 묶고 있는 글루온(gluon)이다('글루온'이라는 이름은 풀을 뜻하는 glue에서 유래). 이로써 하드론을 구성하고 있는 기본 요소는 쿼크와 글루온임을 알게 되었다.

이에 반해 약한 상호작용(약력)을 보이는 입자는 ‘렙톤’(경입자, lepton)이다. 렙톤에는 전자(electron)·전자 중성미자(electron neutrino),  뮤온(muon)·뮤온 중성미자(muon neutrino), 타우(tau)·타우 중성미자(tau neutrino) 등이 있다. 약력의 대표적인 보기는 핵분열이다. 92개의 양성자를 가지고 있는 우라늄은 불안정하여 자발적으로 붕괴한다.

뮤온은 1936년 우주선 연구에서 처음 발견되었다. 발견 당시 유카와가 1935년 예측한 파이온으로 오해되었다. 뮤온은 파이온의 붕괴로 만들어지는데, 파이온과 달리 강한 상호작용을 하지 않아 지상까지 도달할 수 있었다. 파이온이 발견된 것도 안데스 산맥 정상에 놓아둔 사진 건판을 통해서였다. 한편 뮤온은 한 개의 전자와 두 개의 중성미자로 붕괴한다.

여기서 뮤온의 등장이 중요한 이유는 힉스 입자의 발견을 불러왔기 때문이다. 파이온과 뮤온의 차이점 중 하나는 스핀이다. 파이온에는 스핀이 없으나, 뮤온은 스핀을 갖고 있다.

뮤온은 파이온이 붕괴하면서 R뮤온과 L뮤온이 만들어진다. R뮤온(우선성)은 스핀의 방향이 운동 방향과 일치하는 것이고, L뮤온은 정반대다. 파이온 붕괴시 확률적으로 보면 R뮤온과 L뮤온이 나올 가능성은 반반이어야 한다. 이처럼 R과 L의 동등성, 일명 거울 대칭을 ‘패리티’라고 한다.

1957년 리언 레더먼은 한 가지 중요한 실험을 했다. 약한 상호작용을 하는 뮤온에서도 과연 패리티가 적용될까? 결과는 놀라웠다! 뮤온이 모두 우선성(R뮤온)이었던 것이다.

우리가 거울을 볼 때 좌우가 바뀌는 것 외에 물리적 특성은 변함이 없다. 하지만 레더먼의 실험 결과는 우리 세상과 거울에 비춰진 세상이 다르다는 것을 최초로 보여준 것이다.

▲힉스 입자의 예견 -1의 약전하를 띤 L뮤온은 0의 R뮤온과 약전하가 -1이고 스핀이 0인 힉스 입자로 전환하면서 방향을 바꾼다. 힉스 입자는 L뮤온과 같은 약전하를 가지고 있어야 약전하가 보존된다. 각 운동량이 보존되기 위해서는 힉스 입자의 스핀이 0이어야 한다.

한편 정지해 있지 않은 뮤온은 자체 질량 덕분에 지그재그식으로 진동한다. 이것을 ‘카이럴리티 변환’(chirality change)이라고 한다. 뮤온은 L카이럴리티로 전환되었을 때 붕괴한다. 이때 전하는 -1이다. R카이럴리티의 전하는 0. 그런데 문제는 전하보존의 법칙이다.

전하는 사라지면 안된다. -1의 전하를 받을 새로운 입자가 있어야 한다. 그리고 각운동량 보존의 법칙에 따라 새로운 입자는 뮤온의 스핀 방향이 변하지 않았으므로 스핀이 0이어야 한다. 리언 레더먼은 정확히 힉스 입자의 특성을 예견했다.

마침내 2012년 7월 4일 스위스 유럽원자핵연구소(CERN)의 거대강입자충돌가속기(LHC, Large Hadron Collider) 실험에서 힉스 입자가 발견되었다!

▲'신의 입자'를 발견한 CERN의 거대강입자충돌가속기(LHC)

저자는 1993년 《신의 입자》(The God Particle)를 펴냈다. 그가 노벨물리학상을 수상하고 나서 입자물리에 관한 자신의 연구 성과와 그간의 입자물리 역사를 정리한 책이다. 그는 이 책을 통해 힉스 입자라는 어려운 이름 대신 ‘신의 입자’라는 낭만적인 네이밍을 선보였다.

《신의 입자》가 나온 지 20여 년이 흐르는 동안 입자물리학은 눈부신 발전을 이루었다. 6개의 쿼크, 8개의 렙톤, 8개의 글루온과 4개의 게이지 보존들이 발견되었다. 그리고 아직 발견되지 않았지만 중력 양자 그래비톤(중력자)도 예견되어 있다.

저자는 힉스 입자 발견 후 주체할 수 없는 흥분 속에서 이 책을 썼을 것이다. 이 책은 《신의 입자》 이후 20년의 궤적을 통해 힉스 입자에 대한 연구가 어떻게 진행되어 왔는지 흥미진진하게 다룬다.

여기서 리언 레더먼은 중요한 질문 하나를 던진다. “무엇이 힉스 입자의 질량을 만들까?” 그는 힉스 입자에 관한 연구는 대통일장 이론의 단서를 제공할지 모른다고 전망한다. 아인슈타인이 죽는 날까지 완성하려고 필사의 노력을 기울였던 것이 바로 대통일장 이론이었다.

간결하면서 담백한 문체는 과학적 글쓰기가 어떠해야 하는지 잘 보여준다. 저자의 말대로 ‘신의 입자’에 대한 인류의 진보는 ‘신의 섭리’에 한 발 다가서는 위대한 여정이 아닐 수 없다. 힉스 입자는 우리 몸의 세포와 DNA를 포함한 우주 만물에 작용하는 궁극의 신비를 풀 수 있는 열쇠이기 때문이다.