질량을 만들어내는 신의 입자 '힉스 입자'는 왜 '중력자'가 아닐까?

우주를 채우는 신의 입자 '힉스 입자'란 무엇인가?

CERN연구소의 LHC(대형 하드론 충돌형 가속기)가 2012년에 새롭게 발견한 소립자 '힉스 입자'

이 소립자에 대해서는 질량을 만들어내는 '신의 입자'로서 물리에 관심이 없는 사람도 들은 적은 있을 것입니다.

처음 이 입자의 설명을 들었을 때 질량의 기원이 되는 소립자가 발견되었다면 그게 바로 중력자의 존재가 발견되었다는 거 아닌가? 라며 착각한 사람은 없나요?

아쉽게도 이 중력을 만들어내는 소립자인 중력자(그래비톤)는 아직도 발견되지 않고 있습니다.

질량의 기원이 되는 소립자 힉스 입자는 왜 중력과는 관계가 없는 것일까요?

이 의문에 대해 이전부터 궁금해 왔던 사람도 많다고 생각하기 때문에 이번에는 힉스 입자에 대해 알아봅시다.

요약

• 질량이란 무엇인가?
• 힉스 입자란 무엇인가?
• '질량'은 '무게'가 아니다!
• 중력을 전달하는 중력자란 무엇인가?

질량이란 무엇인가?

물질이 많이 모이면 질량은 커진다

우리는 어떤 물질이든 점점 커져서 물질의 양이 많아지면 질량이 커진다는 것을 알고 있습니다.

어린아이보다 씨름 선수 쪽이 질량은 당연히 큽니다.

밀도가 작은 알루미늄보다 밀도가 큰 철(스틸)이 같은 크기 일지라도 질량이 크다는 것을 잘 알고 있습니다.

질량이라는 단위를 엄밀히 정의하는 것은 매우 어려운 문제지만 간단히 말해 버리면 거기에 포함된 물질이 얼마나 있는가 하는 양을 나타내는 값이라고 할 수 있습니다.

일상 속에서 평범하게 살고 있는 것처럼 질량에 대해서도 이런 단순한 것을 이해하는데 전혀 문제가 되지 않습니다.

하지만 물리학자들은 양자역학이라는 세계를 발견하고는 물질을 만들어내는 최소의 단위가 되는 세계를 들여다보게 되었습니다.

이때 문제가 된 것이 소립자 하나하나의 질량은 어떻게 정해져 지는가 하는 문제였습니다.

예를 들어 원자는 원자핵에 포함된 양성자와 중성자의 수로 무게가 결정됩니다.

이 양성자와 중성자는 쿼크라고 불리는 소립자의 모임입니다.

그렇기 때문에 쿼크 하나에는 당연히 질량이 있습니다.

하지만 같은 소립자라도 질량이 제로라는 터무니없는 존재가 이 세계에 있다는 것을 알게 되었습니다.

그것은 바로 광자입니다.
광자는 질량을 가지지 않습니다.

광자는 질량을 갖지 않는다

앞서서 질량은 물질의 양이라고 말했지만, 그렇다면 광자는 우리 세계에 물질로서 존재하지 않는 것일까요?

물론 그렇지는 않습니다.

광자는 분명히 우리들 세계에서 물질로서의 존재를 가지고 있으며 입자로서 관측되어 하나, 둘 셀 수도 있으며, 우리 세계에서 다양한 역할을 할 수 있습니다.

그렇다면 왜 광자는 질량을 가지고 있지 않는 것일까요?

이 의문에 대해서 광자는 물질이 이 세계에 존재하면 거기에는 자연히 질량이 생긴다는 생각에 대해 배치되는 부분입니다.

질량에는 분명히 어떤 원인이 있으며, 그 결과로써 발생하고 있다고 생각됩니다.

양자론에서는 당연히 그것이 어떤 소립자와의 상호작용에 의해서 생겨난다고 예측합니다.

그렇다면 이 세상에서 질량이 생기는 메커니즘이란 대체 어떤 것일까요?

그것이 이번 주제로 말하고자 하는 '힉스 입자'와의 상호작용입니다.

힉스 입자란 무엇인가?

힉스 입자는 질량을 우리 세계에서 만들어 내고 있는 소립자입니다.

힉스 입자는 보통 볼 수도 없는 미미한 존재이지만 우주를 바다처럼 채우고 있습니다.

그리고 공간에 채워진 힉스 입자는 다른 물질에 달라붙는 듯한 성질이 있어 이로 인해 물체에 질량이 생기고 있다는 것입니다.

그래서 많은 설명들에서는 이 힉스 입자는 마치 풀처럼 물질을 공간에 붙이는 입자라고 설명되고 있습니다.

힉스 입자는 소립자와 상호작용하여 질량을 창출한다.광자는 힉스 입자와 상호작용하지 않기 때문에 질량자체가 없다

그러나 광자는 힉스 입자와 상호작용하지 않습니다.

그래서 광자는 우리 세계에서 물질로 존재하면서 질량을 갖지 않습니다.

그래서 광자는 이 세상에서 가장 빠른 속도로 이동하는 것입니다.

물리학적으로 가능한 최고 속도가 광속도인 이유도 여기에 있습니다.

어? 그렇다면 여기서 아인슈타인이 발견한 위대한 방정식 'E=mc2'가 성립되지 않는 거 아니야?라고 의문을 갖는 사람도 있을 수 있습니다.

분명히 질량 m이 0인 광자는 이 공식에 적용할 경우 에너지 E가 0이 되어 버리는 상태 결국 광자의 존재는 부정되는 것처럼 느껴집니다.

그러나 이 공식이 나타내는 질량과 에너지는 정지 질량과 정지에 너 지른 뜻하며 광자는 단 한순간도 절대 멈추지 않고 어떤 상황에서도 항상 광속으로 계속 움직임으로써 이 문제로부터 자유로울 수 있습니다.

광자는 질량을 갖지 않는 대신에 절대로 멈출 수가 없는 성질을 갖게 된 것입니다.

질량의 기원에까지 인간이 다가갈 수 있었기에 유머러스한 노벨 수상 물리학자인 레온 레이더먼 씨는 자신의 저서에서 이 힉스 입자를 신의 입자(God particle)라고 표현했습니다.

이는 질량(mass)과 기독교 미사(mass)가 같은 철자이기 때문이라는 농담이기도 하고, 또 신이 신비의 베일로 감추던 영역에 마침내 인간이 파고든 기념비적인 발견이라는 의미도 있었던 것 같습니다.

다만 신의 입자라는 표현은 여론의 흥미나 인기도 한몫했기 때문에 세계적으로 너무 센세이셔널하게 퍼져버렸습니다.

그러다 보니 페르미연구소 일반 공개 때 독실한 기독교인들이 하나님의 입자에 대한 설명을 찾아서 견학을 왔다가 빅뱅 이론의 설명을 듣고는 기분 나쁘게 돌아가는 일이 종종 생기는 것 같습니다.

조금 이야기가 엇나가긴 했지만 힉스 입자를 단순히 설명한다면 그것은 지극히 간단한 것으로 단순히 다른 물질의 움직임에 붙어서 방해한다는 것뿐입니다.

이것이 질량을 창출하는 원인이라고 말한다면 언뜻 초보적인 생각으로 신경 쓰이는 문제가 생깁니다.

그것이 힉스 입자는 중력과는 관련이 없는 것인가?라는 것입니다.

이런 의문이 드는 원인은 '질량'과 '무게'라는 개념을 동일시해 버리는 사람들이 있기 때문일 것입니다.

여기서 힉스 입자는 왜 중력자가 아닌 거지?라고 생각하는 사람들은 먼저 '질량'과 '무게'가 어떻게 다른지를 이해해야 합니다.

'질량'은 '무게'가 아니다!

학생 시절에 물리 수업에서 질량과 무게는 다르다고 설명을 들으셨던 기억이 있을지도 모르겠습니다.

다만 대부분의 경우 질량과 무게를 혼동하여 사용되기 때문에 그 차이를 의식할 기회는 거의 없을 것입니다.

그 이유는 지구상에서 이 두 가지는 특별히 나누어서 생각하지 않아도 크게 문제가 없기 때문입니다.

그래서 잠깐 장소를 옮겨서 생각해 봅시다.

예를 들어, 달 표면에서는 중력이 지구의 6분의 1밖에 되지 않습니다.

따라서 체중 60kg인 사람이 달에 가면 체중은 10kg이 되어 버립니다.

그렇다면 이때 그 사람의 질량(물질의 양)은 줄어들었다고 할 수 있을까요?

이 사람은 50kg 감량에 성공했다고 말할 수 있을까요?

달 표면에서는 체중이 6분의 1이나 되지만 질량자체는 변하지 않는다

당연히 그런 일은 없습니다.

즉 달에 가면 무게는 줄어들지만 질량은 변하지 않는 것입니다.

하지만 아직 좀 석연치 않은 사람이 있을지도 모릅니다.

그래서 좀 더 자세히 질량과 무게의 정의에 대해 생각해 보겠습니다.

중력이 약한 달에 가면 줄어든 무게이기 때문에 어떤 물질이 중력에 끌리는 세기를 나타내는 값이라고 할 수 있습니다.

그럼 질량은 무엇일까요?
물질의 양이라고 표현하는 방법도 있지만, 힉스 입자의 작용도 포함해서 생각할 때 '질량'이 표현하고 있는 것은 그 물질의 공간에서 움직이기 힘들다고 할 수 있습니다.

무중력 우주공간에서는 무게가 제로가 되는데, 예를 들어 우주인이 거대한 우주정거장(ISS)을 지구 방향으로 걷어차면 어떻게 될까요?

ISS는 지구에 떨어질까요?

물론 그런 일은 일어나지 않습니다.
ISS는 그 자리에서 움직이지 않고 ISS를 걷어찬 우주인이 걷어찬 힘에 그대로 반작용으로 인해 우주 공간으로 튕겨져 버릴 뿐입니다.

무중력 공간에서 발로차면 질량이 큰 물체는 움직이지 않고 작은 물체는 쉽게 움직인다

즉 중력과 상관없이 질량이 큰 ISS를 즉석에서 움직이는 것은 매우 어렵고 질량이 작은 우주인은 적은 힘으로도 쉽게 그 자리로부터 움직여 버리는 것입니다.

이는 지구상에서 무거운 물체와 가벼운 물체를 떨어뜨렸을 때 떨어지는 속도가 변하지 않는다는 문제와도 관련이 있습니다.

무거운 물체가 분명 중력에 강하게 당겨져 있을 텐데 가벼운 물체와 떨어지는 속도가 같은 것은 무거운 물체가 질량이 크기 때문에 큰 힘이 가해져 있어도 그 자리에서 움직이기 어렵고 가벼운 물체가 질량이 작기 때문에 작은 힘으로도 쉽게 움직이기 쉽습니다.

무게에 따른 중력의 세기와 질량에 따른 움직임의 어려움이 맞물려 지구상에서는 무거운 물체든 가벼운 물체든 같은 속도로 떨어지게 되는 것입니다.

중력의 세기와 움직이기 어려움이 맞물려 같은 값으로 떨어지고 있다.

이처럼 질량과 무게(중력의 작용)는 무관하지 않지만 다른 성질을 나타내는 것이므로 질량의 기원인 힉스 입자가 중력자가 되지는 않습니다.

중력을 전달하는 중력자란 무엇인가?

소립자를 단순히 물질의 가장 작은 구성 요소로 보는 사람은 많겠지만 실제로는 소립자에도 물질의 근원이 되고 있는 입자와 힘을 전달하는 작용을 하는 입자의 두 종류로 나뉘어 있습니다.

원자핵 양성자나 중성자를 만들고 있는 쿼크 등의 소립자는 물질의 가장 작은 구성 요소로 페르미온(페르미온 입자)이라고 불립니다.

한편, 전자력 등을 전달하는 광자 등은 힘을 전달하는 입자로서 보손(보우즈 입자)이라고 불립니다.

물리학에서는 현재 강한 핵력, 약한 핵력, 전자력, 중력이라는 네 가지 힘이 정의되어 있는데, 이들은 아무것도 건드리지 않고 힘이 작용하는 것처럼 보이지만 실제로는 보손이라는 소립자가 작용하여 각각의 힘을 전달하고 있습니다.

물리학이 정리한 자연계의 4가지 힘과 이를 전달하는 소립자

그리고 네 가지 힘을 전달하는 보손 중 유일하게 발견되지 않은 것이 중력을 전달하는 중력자입니다.

이것은 존재하는 것은 틀림없다고 생각되고 있지만, 아직 검출되지는 않았습니다.

앞서 힉스 입자는 빛과 상호작용하지 않기 때문에 광자가 질량이 제로라는 말을 했는데 광자는 질량을 갖지는 않지만 블랙홀에는 빨려 들어갑니다.

중력렌즈 효과라는 것은 질량이 큰 물체 주변에서 빛의 움직임이 왜곡되면서 생기는 현상이고, 블랙홀에 매우 가까운 사선의 지평면 안쪽으로 들어가 버리면 빛조차 그 중력에서 탈출하는 것이 불가능해집니다.

즉 광자는 힉스 입자의 영향을 받지는 않지만 중력자로부터는 확실히 영향을 받고 있다고 여겨집니다.

이런 의미에서도 힉스 입자와 중력자는 다른 것입니다.

그러나 질량이 큰 것에서 중력이 생기고 있는 것도 사실입니다.

아인슈타인의 상대성이론에서 중력은 공간의 왜곡으로 기술되는데, 이것도 양자론의 세계에서는 소립자 수준의 세계 속에서 최소 중력이라는 것을 생각할 경우 이에 대한 설명을 잘할 수 없게 됩니다.

2차 평면에서 중력을 설명할 때는 왠지 모르겠지만 3차원 공간에서 작용하는 중력의 존재를 표현하게된다. 무엇이 공간을 왜곡시키는 것일까?

따라서 중력 자라는 존재를 발견하고 그 기원이나 전달되는 원리를 이해하는 것은 물리학에서 중요한 것입니다.

소립자 레벨에서는 중력은 어떻게 발생하고 있는 것일까요? 그곳에서 질량을 발생시키는 힉스 입자는 어떤 관계가 있는 것일까요?

아직 우리 세계에는 수많은 미지가 남아 있습니다.

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