[표지로 읽는 과학] 힉스 입자 발견 10년, 그동안의 성과와 미래

네이처 제공

국제학술지 네이처는 7일(현지시간) 입자들이 불안정하게 움직이는 모습을 표지에 실었다. 왼쪽에는 ‘힉스 10'이라는 문구가 있다. 이번주 네이처는 2012년 힉스 보존 발견 10년을 기념해 그동안 힉스 입자에 대해 이뤄진 주요 연구와 최신 연구 동향을 살펴봤다.

2012년 7월 과학자들은 유럽핵입자물리연구소(CERN) 초대형 실험시설인 대형 하드론 충돌기(LHC)에 있는 아틀라스(ATLAS)와 시엠에스(CMS)라는 두 검측기를 통해 힉스의 질량이 약 125GeV(기가전자볼트·1GeV는 1억eV)로 관측됐다고 발표했다. 신의 입자라고 불리는 힉스 입자의 발견이었다.

2018년 유럽입자물리연구소에선 힉스 보존이 다른 입자로 변하는 현상(붕괴)에 대한 연구가 이뤄졌다. 유럽입자물리연구소의 연구팀 ‘아틀라스’와 ‘시엠에스’는 대형강입자충돌기(LHC)가 여러 해 동안 수집한 양성자 충돌 데이터를 분석했다. 이를 통해 ‘B쿼크’와 ‘반(反) B쿼크’의 흔적을 찾았다. 연구팀은 수년 동안 수집한 데이터에서 B쿼크와 반B 쿼크가 만들어진 반응을 수집한 뒤, 다른 경로로 B쿼크 쌍이 만들어지는 경우를 제거하는 방식으로 힉스에 의해 만들어진 B쿼크 쌍을 찾았다.

B쿼크 쌍을 찾는 데는 6년이나 걸렸는데, 잡음에 해당하는 다른 반응이 훨씬 많고 복잡했기 때문이다. 연구팀은 이 발견을 통해 “우주를 구성하고 움직이는 기본 원리를 17개의 기본입자와 힘으로 상세히 설명하는 ‘표준모형’의 정교함이 또 한번 입증됐다”고 설명했다.

힉스 입자의 새로운 비밀을 찾기 위한 유럽입자물리연구소의 연구는 계속되고 있다. 연구소는 4일(현지시간) 대형강입자충돌기를 사용한 13.6 테라전자볼트(TeV)의 양성자빔 충돌실험에 돌입했다. 이 실험에서는 서로 마주보고 있는 양성자빔을 빛에 가까운 속도로 충돌시킨다. 충돌 결과는 아틀라스와 시엠에스, 엘에이치씨비(LHCb), 앨리스(ALICE) 4대의 검출기에 기록된다.

네이처는 “힉스 입자에 대해 지금까지 이뤄진 면밀한 연구와 조사는 기초 물리학에서 해결되지 않은 문제들에 대해 중요한 해결 단서가 될 것”이라고 말했다.

[박정연 기자 hesse@donga.com]