힉스 입자, 신의 입자를 찾았나?

[2012년 9월 뉴스레터]

지난 7월 4일 미 독립기념일에 즈음하여 매스컴들은 과학기술자들이 신의 입자로 알려진 힉스 입자를 찾았다고 일제히 보도하였다. 미국의 페르미 연구소(Fermi Lab)의 가속기보다 강력한 입자가속기(CERN)가 2008년 유럽의 스위스에 완공된 후 모든 연구는 이 힉스 입자를 찾는 데 집중되었었다.

힉스 입자(Higgs Particle)는 1964년 영국의 에든버러 대학 힉스 교수가 모든 소립자에 질량을 결정해 주는 존재를 가정함으로 유래된 가상의 입자로 최근에는 신의 입자(신이 숨겨놓은 알 수 없는 입자)로 알려졌다. 이 입자는 고에너지 상태에 출현하여 존재하였을 것으로 추정하며 현재는 물질 속에 숨어 있다고 과학자들은 생각해왔다. 대부분 과학자는 입자물리의 표준모델(쿼크입자 6개, 경입자 6개, 매개입자 4개)에서 마지막 입자로 힉스 입자의 존재를 기대해왔다.

비록 여러 과학자가 싫어하는 표현임에도 이 입자가 신의 입자로 알려졌는데 사실 이 힉스 메커니즘이 궁극적인 물질의 기원을 증거가 돼 주는 것은 아니다. 이번 연구를 통하여 질량이 힉스장에서 한 에너지의 형태로 존재하는 것이 확인되었다는 것이며 정확히 말하자면 이 질량이 입자(힉스 입자일 가능성이 있는)로 이전되는 것을 찾아낸 것에 불과하다. 따라서 이번에 발표한 힉스 메커니즘 은 궁극적인 물질의 기원에 대한 설명이라고 보기 어렵다. 실험은 양성자 빔(Proton beam)을 광속에 가까운 속도로 가속하고 가속된 두 빔을 서로 충돌시켜서 이때 발생하는 고열의 에너지와 수억 개의 파편 입자들을 분석, 연구하게 된다.

2008년 연구소 개관 후 2009년 11월 양성자-양성자 빔 충돌시험은 각 빔당 450 GEC의 에너지를 투입하였고, 2012년 3월 30일에는 지금까지 사람이 만들어낸 가장 높은 에너지라 할 수 있는 3.5TeV로 높여서 두 개의 빔을 충돌시켰다. 앞으로 2014년까지 최고 7TeV 에너지 빔을 만들어 실험하는 것이 목표이다.

연구소 개관 당시 아이머(Robert Aymer) 소장은 “이 거대 입자 가속기는 우주 창조에 대한 시각을 바꾸기 위해 제작되었다”고 공언하였다. 즉 우주 생성의 신비를 실험을 통하여 풀어 보겠다는 것이다. 물론 무엇보다도 지금까지 미스터리로 알려진 표준모델의 16개 입자로 하여금 질량을 갖게 하는 힉스입자 존재를 알아내는 것이 연구의 핵심이었다.

실험을 통하여 과연 창조의 신비를 알아낼 수 있을까? 성경의 창세기에서 말하는 창조(히브리어로 바라)는 절대무, 즉 시간과 공간과 물질과 빛이 모두 존재하지 않는 무에서 유를 만들 때에 쓸 수 있는 단어이다. 그런데 실험은 이미 존재하는 양성자 빔을 가속 시키고 서로 충돌시켜서 순간적으로 발생하는 입자 파편들을 연구한다.

우주를 지배하는 가장 근본 과학법칙은 에너지 보존의 법칙(열역학 제1법칙)이다. 즉 에너지는 저절로 스스로 만들어지지 않으며 저절로 없어지지도 않는다는 법칙이다. 따라서 이 법칙에 따르면 에너지(물질)는 창조되었다는 것이며 다른 대안이 없다. 오직 절대 무로부터 창조를 증거가 되는 법칙이다. 그런데 가속기 실험은 이미 존재하는 물질(에너지)로 출발하는 점에서 창조를 증거가 되는 실험이라고 생각하는 것은 오해이다.

또한 우주를 지배하는 두 번째 물리법칙은 무질서 증가의 법칙(엔트로피 증가의 법칙 또는 열역학 제2법칙)이다. 이 법칙은 우주의 모든 자연과정은 무질서가 점차 증가한다는 것이다. 즉 우주에 존재하는 유용한 에너지는 감소하고 쓸모없는 에너지는 증가한다는 예외가 없는 법칙이다. 따라서 실험실에서 행하는 어떤 폭발도 그 폭발 때문에 질서가 증가하지 않으며 더 무질서해지고 만다. 따라서 가속기를 통한 빔의 충돌실험은 두 번째 물리법칙, 무질서 증가의 법칙에 비추어 볼 때 성경에서 말하는 창조와 그 조화와는 거리가 먼 실험이다.

앞에서 두 물리법칙의 관점에서 간단히 살펴보았지만 누가 뭐래도 이번 실험은 역사상 가장 큰 규모의 연구진과 첨단 기술이 총동원된 이 실험이었다. 이를 통해서 그간 알지 못했던 발견들이 풍성하고, 또 그 발견들이 인류에 크게 이바지할 수 있기를 기대한다. 한편 이 실험을 통하여 하나님이 행하신 일들이 얼마나 놀랍고 경이로운 일인지 실감할 수 있어야 하겠다. 눈으로 볼 수 없는 티끌 먼지보다도 작은 미립자를 통해서 창세로부터 보이지 아니하는 하나님의 영원하신 권능과 신성이 드러나고 있음을 분명히 보고 핑계치 말고(롬1:20) 하나님 말씀 앞에 겸손히 무릎을 꿇는 계기가 되기를 기대해 본다.

• 이동용 박사 (항공기계공학)