표준모형

올해 과학계의 최대 화제는 힉스(Higgs) 입자의 발견일 가능성이 크다. 지난해 유럽입자물리연구소(CERN)에서 대형강입자충돌기(LHC) 실험을 통해 힉스 입자의 흔적을 포착했다는 보도가 있었고, 올해는 아마 확증의 수준까지 나아가지 않을까 싶다. 힉스 입자의 발견은 표준 모형에 대한 강력한 입증이 된다.

"세상은 무엇으로 만들어졌을까?" 이 질문에 대하여 과학은 표준 모형으로 답한다. 표준 모형은 다양한 실험적 검증을 통해 가장 믿을 만한 이론적 체계로 인정받고 있다. 우리 우주에는 네 개의 기본 힘이 존재한다. 전자기력, 약한 핵력, 강한 핵력, 중력이다. 왜 하필 우리 우주에는 네 개의 힘이 존재하는 걸까? 이 문제를 해결하는 것이 현대 물리학의 과제이기도 하다. 여기서 표준 모형은 중력을 제외한 나머지 세 힘과 물질에 대한 이론이다. 표준 모형에서는 기본 입자들을 힘을 매개하는 입자인 보손과 물질을 구성하는 입자인 페르미온으로 나눈다. 보손에는 광자(전자기력), W와 Z 입자(약한 핵력), 글루온(강한 핵력)이 있다. 광자와 글루온은 질량이 없지만, W와 Z 보손은 지금까지 발견된 입자 중 가장 무겁다.

페르미온은 렙톤과 쿼크로 나눈다. 렙톤은 세 그룹으로 구성되는데 전자와 전자 뉴트리노, 뮤온과 뮤온 뉴트리노, 타우와 타우 뉴트리노가 있다. 쿼크도 세 그룹으로 구성되는데 업 쿼크와 다운 쿼크, 참 쿼크와 스트레인지 쿼크, 탑 쿼크와 바텀 쿼크다. 표준 모형에서는 이 여섯 개의 쿼크들 중에서 세 개를 취해 바리온이라고 부르는 입자들을 만드는 방법을 보여준다. 예를 들면, 양성자는 (업 + 업 + 다운) 쿼크로, 중성자는 (다운 + 다운 + 업) 쿼크로 이루어져 있다. 그래서 일반적인 물질의 원자는 렙톤(전자)과 바리온(양성자와 중성자)으로 구성되어 있다.

표준 모형에 따르면 우주는 17개 입자로 되어 있다. 우주의 힘을 전달하는 보존 4개, 물질을 구성하는 페르미온 12개, 그리고 이들에게 질량을 부여하는 힉스 1개다. 아래 표가 우주의 기본 입자를 나타내고 있다.

힉스 입자는 표준 모형의 핵심적인 연결 고리다. 힉스 입자는 빅뱅 직후 순간적으로 존재하다가 질량을 갖게 하는 특성을 다른 입자들에게 남기고 사라진 것으로 보인다. 대형강입자충돌기로 빅뱅 직후의 상황을 재연함으로써 힉스 입자를 확인한다. 지금까지 16개 입자는 확인되었고 마지막으로 힉스 입자만 남아 있다. 만약 힉스 입자의 존재가 밝혀진다면 표준 모형은 옳은 이론으로 인정받을 것이다. 그러나 중력을 설명하지 못한다는 점에서 표준 모형은 아직 미완의 이론이다. 표준 모형의 대안으로는 다중 차원으로 설명되는 끈 이론이 주목을 받고 있다. 자연을 이해하려는 인간의 호기심은 끝이 없다. 그런 호기심과 탐구심의 결정체가 바로 물리학이다.