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힉스 입자, 힉스 팩토리에서 양산
우주 해명의 견인 역할

-- 일본이 난항을 겪는 가운데, 중국에서도 계획 --
2013년 노벨 물리학상의 대상이 되었던 만물에 질량을 부여하는 “’힉스 입자’. 이 소립자를 대량으로 만들어 우주 및 물리학의 수수께끼를 해명하기 위한 연구 시설인 ‘힉스 팩토리’가 관심을 모으고 있다. 일본에서 건설이 검토되고 있는 ‘국제 직선형 입자충돌기(ILC)’ 프로젝트에 나섰으나, 자금 문제로 난항에 봉착. 중국 등에서 추진되는 새로운 건설 계획이 그 뒤를 바짝 쫓고 있다.

“힉스 팩토리가 최우선이라는 것에 의견이 일치하고 있다”. 세계의 주요 가속기 연구기관의 대표가 모이는 국제미래가속기위원회(ICFA)의 제프리 테일러 의장은 3월 7일에 도쿄에서 열린 기자 회견에서 이렇게 말했다.

힉스 입자는 1964년에 이론적으로 그 존재가 예견되었으며 2012년에 유럽입자물리연구소(CERN)에 있는 거대한 원형 가속기인 ‘LHC’의 실험에서 확인되었다. 그러나 LHC의 실험에서는 대량으로 만드는 것이 불가능해 자세한 성질은 아직 파악되지 않고 있다. 따라서 힉스 입자를 대량으로 만들어 자세히 조사하는 것이 힉스 팩토리로 불리는 가속기 시설이다.

힉스 팩토리의 대표는 국제협력으로 일본에서의 건설이 검토되고 있는 ILC(국제 직선형 입자충돌기)이다. 전체 길이 약 20km의 곧게 뻗은 직선형 가속기로서 양 끝에서 전자와 그 반대의 플러스 전하를 띈 양전자를 각각 발사. 빛의 속도에 가까운 속도로 충돌 시킨다. 소립자의 전자와 양전자가 부딪힘으로써 힉스 입자가 대량으로 발생하는 구조이다.

힉스 입자를 처음으로 관측한 LHC는 2개의 양자를 가속시켜 정면으로 충돌시켰다. 그러나 양자는 복수의 소립자의 조합으로 구성되어 있기 때문에 충돌해도 힉스 입자를 만들어 내는 반응이 일어나는 회수는 적다. 다른 종류의 반응도 동시에 일어나기 때문에 힉스 입자가 만들어 지는 반응만을 자세히 관측하기란 어렵다.

무라야마 도쿄대학 특별교수는 양자를 찹쌀떡, 전자를 팥에 비유해, “찹쌀떡을 서로 부딪히게 해도 주변의 팥소도 함께 밖으로 튀어 나오기 때문에 팥이 부딪히는 것은 자세히 알 수 없다. 전자는 팥 그 자체를 부딪히게 하기 때문에 무슨 일이 일어나고 있는지 자세히 볼 수 있다”라고 설명한다.

전세계의 물리학자가 힉스 팩토리를 고집하는 것은 우주가 어떻게 탄생한 지와 앞으로 어떻게 될 것인지를 해명하는 열쇠를 힉스 입자가 쥐고 있다고 생각하기 때문이다.

현재의 물리학의 표준 이론에서는 힉스 입자가 한 종류밖에 없으나, 힉스 입자의 성질이 이론상의 예상과 일치한다면 우주는 불안정한 것이라고 볼 수도 있다. 그렇게 된다면 지금까지의 상식을 뒤집고 몇 개의 우주가 병행해서 존재한다는 ‘멀티버스(multiverse) 이론’이 옳을 가능성이 높아진다.

그러나 표준 이론 대신에 유력한 후보라고 생각할 수 있는 ‘초대칭성 이론’이 옳다면 힉스 입자는 5종류가 필요하다. 그 이외에도 시간과 공간을 초월하는 5차원이 존재할 가능성 등 다양한 우주의 패턴을 생각할 수 있다. 힉스 입자의 자세한 성질을 알게 된다면 그 중에서 무엇이 옳은지가 보이게 될 것이다.

ILC 계획이 정체되고 있는 가운데, 구상이 제기되고 있는 것이 중국의 '포톤(Photon) 팩토리 (CEPC)이다. 전자와 양전자를 충돌시키는 것은 동일하나, 직선 상의 ILC와는 달리 LHC와 같은 원형 모양을 하고 있다. 둘레가 약 100km로 LHC (27km)의 약 4배에 해당하는 초대형 가속기이다.

ILC가 2026년경에 착공해 2030년대에 운전 개시를 상정해 왔던 것에 비해, CEPC는 2035년경의 운전 개시를 목표로 하고 있다. ILC와 CEPC 이외에 유럽에서도 힉스 팩토리를 건설하는 구상은 있으나, 실현된다고 해도 운전 개시는 2050년경이나 그 이후가 될 전망이다. 이대로 ILC의 건설이 지연된다면, CEPC가 ILC보다 먼저 운전을 개시할 가능성도 크다.

“앞으로 2020년~2030년의 물리학 중심은 틀림 없이 힉스 입자가 될 것이다”라고 ILC의 일본 유치에 힘써 온 야마시타(山下) 도쿄대학 특임 교수는 이와 같이 설명한다. 최초에 가동하는 힉스 팩토리가 앞으로의 물리학 연구를 견인할 가능성이 높다. 첨단 물리학은 기술 혁신의 원천이기도 하기 때문에 어디에서 힉스 팩토리가 최초로 가동되는가에 주목이 집중되고 있다.

▶ 구상 중인 힉스 팩토리

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