이 책은 이런 입자들에 관한 이야기다. 입자는 무엇인지, 어떻게 행동하는지, 그리고 우리 주위의 세계에 어떤 확률로서 존재하는지에 관한 책이다. 동시에 이 입자들은 어디에서 왔으며 모든 것은 어떻게 시작되었는지, 그리고 그 끝은 어떻게 될 것인지에 대한 책이기도 하다. 이런 의문은 인간인 우리가 던질 수 있는 가장 큰 질문이며, 그 답을 찾는 과정에서 상상했던 것보다도 훨씬 더 기이한 우주의 모습이 드러났다. 이것은 우리가 아는 것에 대한 이야기이자 모르는 것에 대한 이야기이며, 더 많은 것을 알기 위한 탐색의 여정을 담은 이야기다. 이 책은 쿼크와 렙톤, 보손과 대칭에 관한 이야기이며, 지금까지 발견된 가장 작은 물질을 연구하기 위해 벌어진 역사상 가장 거대한 실험에 관한 이야기다. -16쪽

빛알이 어떻게 힘을 전달할 수 있는지 예를 들어보겠다. 두 사람이 각자 스케이트보드 위에 서서 마주보고 있는 상황을 상상해보자. 그중 한 사람이 공을 앞으로 던지면, 그 사람은 뒤로 굴러가게 된다. 이것이 운동량 보존이다. 또 맞은편 사람이 그 공을 잡으면 그 사람 역시 굴러가는데, 이번에는 던진 공이 향하던 방향으로 굴러간다. 따라서 두 사람은 서로 마주보며 공을 던지고 받음으로써 서로 멀어지게 된다. 이것이 전자 2개가 충돌할 때 일어나는 일이다. 두 전자는 빛알을 교환하고, 서로 멀어지는 방향으로 움직인다. -36쪽

20세기에 부상한 표준모형은 큰 성공을 거두었다. 이 이론은 지금까지 우리가 측정할 수 있었던 가장 높은 에너지에서의 우주, 그리고 가장 작은 규모의 우주를 설명한다. 우리는 이곳 지구 위의 연구실에서 입자를 연구함으로써 이 같은 입자들이 오늘날 우주 저편에서 어떻게 행동하는지를 알아낼 뿐만 아니라 빅뱅 이후 수백만분의 1초도 되지 않은 순간에 무슨 일이 있었는지도 알 수 있다. 사실 이 이론은 너무나 큰 성공을 거두어서 고전물리학과 비교하고 싶은 충동마저 느껴질 정도다. 물론 표준모형은 정확한 이론이지만 몇 가지 사소한 부분이 아직 미해결된 채 남아 있다. 아마도 앞으로 실험에서 새로운 내용이 발견되면 전체 태피스트리의 올을 푸는 하나의 실마리가 될지도 모른다. -93쪽

빛알은 단순히 서로를 통과해 지나간다. 지금 내 책상 위에는 5W짜리 LED 전등이 있다. 이 전등은 특별히 밝지 않을 때에도 헤아릴 수 없을 만큼 많은 빛알을 매 초마다 방출하고 있다. 이 빛알 중 일부는 내 눈으로 직접 들어온다. 일부는 방 안을 환히 밝히고, 벽에 반사되고, 책상과 키보드에 반사되며 모든 방향으로 산란된다. 이렇게 사방으로 튕겨 다니는 빛알들은 서로 끊임없이 교차되지만, 서로를 눈치 채지 못한 채 통과해 다닌다. 내 눈에 도달하는 빛알은 어딘가에서 출발하여 수십억 개가 넘는 다른 빛알을 통과한 다음 내 눈까지 온 것이다. -106쪽

W 보손은 한 가지 놀라운 특징을 가지고 있는데, 빛알이나 글루온과는 달리 질량이 있다는 것이다. 게다가 꽤 무겁기까지 해서 양성자 질량의 약 85배에 달한다. 이것이 입자의 붕괴에 어떻게 영향을 미치는지 이해하려면, 상점이 텔레비전의 가격을 90%까지 깎아주지만 집으로 배송을 해야 한다고 생각하면 된다. 이 강제 배송비는 텔레비전의 원래 가격의 85배다. 이런 말도 안 되는 조건에서라면 거래 자체가 성립이 안 되고 판매는 급격히 중단될 것이다. 이것이 약붕괴(weak decay)에서 일어나는 일이다. W 보손은 극도로 무겁기 때문에, 붕괴가 진행되려면 이 W 보손을 만들 에너지를 어딘가에서 구해와야 한다. 다시 베타붕괴를 들여다보면, 중성자에서 시작해서 붕괴 과정 중간에 양성자와 극도로 무거운 W 보손을 얻게 되고, 수많은 질량이 난데없이 불쑥불쑥 나타나는 것 같아 보인다. 이런 반응에서, 결국 텔레비전 값을 지불할 충분한 돈, 즉 전자와 중성미자는 갖고 있었지만 배송료인 W 보손을 감당할 수 없게 된다. 베타붕괴는 불가능해진다. 약력은 약하기만 할 뿐 아니라 아예 존재하지도 않게 되는 것이다! -129쪽

힉스 메커니즘이 없다면 우주는 완전히 다른 모습이 될 것이다. 양성자의 경우, 4장에서 설명했듯이 QCD에서 쿼크를 좁은 공간 안에 구겨 넣은 효과로 질량이 생기는 것이기 때문에 힉스 메커니즘이 없어도 질량 대부분을 유지할 수 있다. 그러나 전자를 포함한 모든 기본 페르미온들은 질량 없는 입자가 될 것이다. 질량 없는 입자들은 모두 빛의 속도로 일정하게 움직인다. 따라서 빛의 속도로 움직이는 전자는 원자에 포획될 수 없다. 이렇게 되면 화학적 원소는 물론 우리가 아는 모든 생명은 존재하지 않게 된다. 그리고 무엇보다도 W 보손이 질량 없는 입자가 될 것인데, 그 말은 약력을 억제할 수 없게 된다는 뜻이다. 전자는 중성미자로 바뀌었다가 다시 전자로 바뀌는 과정을 무한히 반복할 것이다. 힉스 보손이 없는 우주는 텅 빈 공간 외에 달리 상상할 수 없으며, 고립된 입자들이 차갑고 어두운 암흑 속에서 서로를 쌩 하니 지나쳐 날아다닐 뿐이다. -172쪽

LHC는 둘레가 27km나 되는 괴물 같은 장치다. 양성자들은 한 다발로 묶여 터널 안으로 입장하고 원형 궤도를 따라 서로 마주보는 방향으로 날아간다. LHC는 양성자들을 시종일관 6.5TeV까지 가속시키고, 에너지를 받은 양성자들은 터널을 초당 1만 회 이상 회전한다. 일단 가속기에 실리면 양성자 다발은 약 12시간 동안 회전하며, 거대하고 강력한 자석이 양성자를 계속 회전시킨다. 자석의 개수는 총 1,232개이며, 각각의 무게는 약 35t 정도 되고 길이는 14.3m가량이다. 이 자석들로 8.3테슬라의 자기장을 유도한다. 냉장고에 붙이는 자석과 비교할 때 대략 2만 배 정도 강력한 것이다. 물론 LHC에서 냉장고 자석을 붙여 입자를 가속시키는 것은 그다지 실용적인 방법은 아닐 것이다. 이러한 자기장을 완벽하게 제어하기 위해서는 자석들이 초전도체여야 하고, 온도는 -271.25˚C로 유지되어야 한다. 이 온도는 절대영도보다 겨우 1.9˚C 높은 온도이며 우주보다도 더 차가운 온도다. -184~185쪽

중성미자는 정말로 측정하기가 어렵다. 중성미자는 질량이 없는 것 같은데, 그 말은 중성미자가 빛의
속도로 움직인다는 뜻이다. 게다가 상호작용을 일으키는 경우도 극히 드물어서 어떠한 물질이든 건드리지 않고 그대로 통과해 날아간다. 그러나 입자를 검출하고 그 특성을 알려면 입자가 상호작용을 하면서 뭔가를 때려야 한다. 중성미자의 상호작용 빈도수를 이론적으로 계산할 수 있으므로(그다지 자주는 아니다), 중성미자가 검출기를 때릴 가능성을 높이려면 검출기를 얼마나 크게 지어야 하는지도 계산할 수 있다. 그 길이는 1광년보다도 더 길어야 한다. 즉, 검출기의 길이가 지구에서 가장 가까운 항성인 알파 센타우리까지 가는 거리의 1/4정도라고 할 때, 이 검출기에 중성미자를 쏘아 넣으면 검출할 확률이 대략 50% 정도가 된다는 말이다. -220쪽

누구나 좋아하는 중성미자 이야기가 있는데, 여기에는 가속기 중성미자가 등장한다. 2011년에 중성미자가 빛의 속도보다 빠르게 여행하는 것 같다는 정황이 포착되면서, 한때 중성미자가 우주의 가장 기본적인 법칙을 깨뜨리는 게 아닐까 여겨졌던 적이 있었다. 이런 일은 1905년 아인슈타인이 특수상대성이론을 발표한 이래 불가능한 일로 간주되던 것이었다. CERN의 입자가속기는 알프스 지하를 가로질러 남쪽으로 730km 떨어진 이탈리아의 지하 연구소를 직접 겨냥해 중성미자 빔을 만들어 쏘고 있었다. 이 지하 연구소에서는 OPERA 실험(Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus)이 진행 중이었는데 여기에서 중성미자를 검출한 것이다. 중성미자가 빛의 속도로 이동하면 여기까지 오는 데 대략 200만분의 1초 정도가 걸리는데, 실제로는 600억분의 1초 정도 빨리 도착했다. 이게 사실이라면 이는 그야말로 혁명적인 사건이며, 현대 물리학의 뿌리를 뒤흔드는 도전과제가 될 것이었다. -223~224쪽

그렇다면 암흑물질은 무엇인가? 맨 먼저 나온 아이디어는 단순히 우리가 보지 못하는 정상물질이라는 것이었다. 매우 무겁고 상대적으로 작으며 별처럼 빛을 내지 못하는 행성이나 블랙홀이나 소행성 같은 물체로 생각했다. 이 암흑물질들이 은하계의 가장자리(헤일로)에 살고 있어야 회전 속도 곡선이나 다른 효과들을 설명할 수 있다. 그래서 헤일로를 이루는 거대 질량체(Massive Astrophysical Compact Halo Objects, MACHOs)라는 이름이 붙었고, 약칭으로‘마초’라고 부른다. 문제는 우리가 관측한 효과를 일으키려면 이러한 마초들이 어마어마하게 많이 있어야 하는데, 은하계의 구조에 대해 알려진 사실을 종합해보면 마초가 그렇게 많을 수가 없다는 것이다. 마초는 답이 아니다. 암흑물질로 가장 가능성 있는 후보는 마초의 정반대인 윔프(WIMP), 즉 약하게 상호작용하는 무거운 입자(Weakly Interacting Massive Particles)다. 암흑물질은 어쩌면 완전히 새로운 유형의 입자일 수도 있으며, 표준모형 너머의 세상에 대한 첫 번째 단서일 수도 있다. -257~258쪽