[물리학] 2013년 – 질량을 주는 힉스 메커니즘의 이론적 연구 – 프랑수아 앙글레르, 피터 힉스

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  • 1932 ~
    프랑수아 앙글레르

    François Englert

    프랑수아 앙글레르(프랑스어: François Englert IPA: [fʁɑ̃swa ɑ̃glɛʁ], 1932년 11월 6일 ~ )는 벨기에의 이론물리학자이다. 2013년 노벨 물리학상을 피터 힉스와 함께 수상하였다. 현재 브뤼셀 자유 대학교의 이론물리학부 명예 교수이다.

    1964년 8월 31일 앙글레르는 그의 동료 로베르 브루(프랑스어: Robert Brout, 1928년 6월 14일 – 2011년 5월 3일)와 함께 입자에 질량을 부여하는 메커니즘을 설명하는 논문을 발표하였다. 거의 비슷한 시기에 1964년 10월 19일 피터 힉스는 같은 메커니즘을 발견하였고, 이는 오늘날 힉스 메커니즘으로 불린다. 49년이 지난 뒤, 대형 강입자 충돌기에서 2012년 힉스 보손의 발견[2]으로 2013년 노벨 물리학상을 피터 힉스와 함께 수상하였다.

     

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    1929 ~
    피터 힉스

    Peter W. Higgs

    피터 웨어 힉스(Peter Ware Higgs IPA: [piːtə(ɹ) wɛə(ɹ) hɪɡz], CH, FRS, 1929년 5월 29일~)는 영국 킹스 칼리지 런던 출신의 이론물리학자이다.

    1964년에 힉스 보손의 존재를 예상했고, 2013년 프랑수아 앙글레르와 함께 노벨 물리학상 수상자로 선정되었다. 에든버러 대학교의 명예교수로 재직 중이다.

수상 업적

The Nobel Prize in Physics 2013 was awarded jointly to François Englert and Peter W. Higgs “for the theoretical discovery of a mechanism that contributes to our understanding of the origin of mass of subatomic particles, and which recently was confirmed through the discovery of the predicted fundamental particle, by the ATLAS and CMS experiments at CERN’s Large Hadron Collider”

2013년 노벨 물리학상은 “원자 내 구성 입자의 질량의 유래를 밝히는 매커니즘을 발견한 공로”로 프랑수아 앙글레르와 피터 힉스에게 공동 수여되었습니다. 유럽원자핵공동연구소(CERN)는 강입자충돌기(LHC, Large Hardon Collider)에서 ‘아틀라스(ATLAS)’와 ‘시엠에스(CMS)’의 실험으로 힉스가 예측했던 소립자를 발견함으로써 힉스 입자의 존재를 공식 확인했습니다.

수상 추천문

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분,
“세계는 점점 커지고 우리가 상상할 수 있는 것보다 훨씬 더 크다”라고 150년 전 자카리아스 토펠리우스가 말한 이후로 우리는 당시 사람들이 상상할 수 있었던 것보다 훨씬 더 세상이 크고 복잡해지고 있음을 알고 있습니다. 이제 우리는 수십억 광년 떨어진 우주를 탐험할 수 있고 초대형 현미경, 입자 가속기 등을 이용해 믿을 수 없을 만큼 근거리에서 일어나는 물리적 현상들을 연구할 수 있게 되었습니다. 세계가 펼쳐 보이는 모든 물리적 현상들, 그리고 우주의 삼라만상을 지배하는 법칙들을 이해하려는 인간의 시도가 과연 어처구니없는 일일까요? 아닙니다! 아인슈타인은 자연에 있어 가장 황홀한 사실은 바로 이해 가능하다는 점이라고 말한 바 있습니다.

에디트 쇠데르그란은 “천정을 향해 떠오르는 별을 손으로 잡을 수 있을까? 그 운행을 측정할 수 있을까?”라고 썼습니다.
예, 그렇습니다. 그 운행을 측정할 수 있습니다. 뉴튼은 별의 움직임을 측정하기 위해 사과가 나무에서 땅으로 떨어질 때의 법칙과 동일한 법칙을 사용할 수 있다고 설명했습니다. 물리학의 법칙은 그 기원이 완전히 다른 것처럼 보이는 여러 현상들을 설명할 수 있습니다. 별의 운행 그리고 사과의 움직임에는 어떤 공통점이 있는 것일까요? 바로 이들은 질량을 가지고 있고 물체의 질량에 의해 결정되는 중력을 가지고 있습니다. 이렇게 자연은 합리적입니다.

100년 전 양자 물리학이 나왔을 때 자연을 양자화할 수 있다는 것을 알았습니다. 물질은 최소 구성 단위로 쪼개질 수 있습니다. 정확히 100년 전 닐스 보어는 수소 원자가 작은 핵, 즉 단일 양성자와 그 주위를 회전하는 전자로 이루어졌다는 것을 밝혀냈습니다. 이제 우리는 세계에 대한 통합된 이론이 소우주에서 추구되어야 한다는 요구를 느끼고 있습니다.

1950년대 이후 개발된 대형 입자 가속기는 소우주를 연구하는 데 사용하는 도구입니다. 이러한 현대 구조물의 복잡성은 100년전 건축된 대성당의 복잡함에 비견됩니다. 우리는 많은 새로운 소립자들을 발견했을 뿐 아니라 소우주에서만 명백히 두드러지는 두 가지 힘, 즉 핵들을 연결하는 강한 핵력(Strong Nuclear Force)과 방사성 붕괴를 유발하는 소립자간의 약한 상호작용(Weak Force)을 발견했습니다. 초근거리에서만 작용하는 이러한 힘들을 어떻게 설명할 수 있을까요? 게임의 법칙은 매우 제한적입니다.

성공적인 이론의 원형은 장거리에서의 힘을 설명하는 양자 전기 역학입니다. 두 개의 전하를 띤 공을 생각해보십시오. 단지 장거리에서 근거리로만 힘을 변화시켰을 뿐인데도 그 이론의 중요한 대칭이 깨지면서 모순된 결과를 나타냅니다. 하지만 힘을 근거리로 변화시키면서도 그 대칭을 깨는 기저상태를 감안함으로써 해당 이론의 등식에서 이러한 대칭을 유지시킬 수 있는 방법이 있습니다.

그런데, 이것이 가능했을까요? 이를 위해서는 질량이 있는 소립자와 더불어 질량이 없는 소립자의 존재가 요구됐습니다. 질량이 없는 소립자의 개념을 사용하기 위해서는 지금까지 없었던 새로운 종류의 방사선의 존재를 가정해야 했습니다. 누군가 이 이론을 수정하여 폐기시켰을까요? 아니면 과학자들이 잘못된 길을 가는 과오를 범하게 되었을까요? 약 50년 전 두 개의 논문, 프랑수아 앙글레르, 로버트 브라우트의 공동 논문과 피터 힉스의 논문으로 그 해법이 제시되었습니다. 약 한 페이지 분량에 불과한 이 짧은 논문 두 편이 세상을 변화시킨 것입니다. 이들은 단지 전자기와 같은 이론을, 앞서 언급했던 두 입자의 존재를 초래한 두 영역과 결합했고 전자기 영역과 결합되어 근거리력을 생성할 수 있는 질량이 없는 소립자 (관찰되지 않는 방사선의 존재를 가정해야 하는)를 보여주었습니다. 하지만 질량이 없는 소립자는 여전히 이론상으로만 존재할 뿐입니다. 이제 우리는 전자기에 대해서도 유사한 가설을 세울 수 있습니다. 물론 근거리력과 질량이 없는 소립자의 존재를 가정하고 말입니다. 우리는 전자기와 소립자간의 약한 상호 작용(Weak forces)을 통합시켰습니다. 입자물리학자들은 어땠을 까요? 이 새로운 이론을 완전히 무시했습니다. 브라우트, 앙글레르 그리고 힉스는 그렇게 믿었지만 7년 후 네덜란드의 젊은 학자 헤라르뒤스 토프트가 실제로 그 이론을 증명해 보일 때까지는 아무도 믿지 않았습니다. 토프트는 이 엄청나게 복잡한 연구로 1999년 노벨상을 수상하게 됩니다.

이제 물리학계는 소우주에서 작용하는 여러 힘들(강한 핵력, 소립자간의 약한 상호작용, 전자기)을 이해하고 있으며 이에 대한 통합된 이론을 빠르게 정립했습니다. 이것이 바로 소립자 영역에서는 중력이 무시될 수 있을 만큼이나 중요한 이론인 “소립자 물리학의 표준 모델 (Standard Model of Particle Physics)”입니다. 이를 위해 쿼크나 렙톤(경입자) 같은 새로운 소립자와 입자 상호작용력의 개념이 매우 빠르게 정립되지 않을 수 없었습니다. 하지만 브라우트, 앙글레르, 힉스가 예견했던, 현재 모든 미립자에 질량을 부여하는 것으로 이해되는 새로운 입자는 아직 발견되지 않았습니다. 30년 전 이 입자를 제외한 모든 것을 근본적으로 밝혀냈습니다. 그런데 그 입자는 실제로 존재했을까요?

이러한 소립자의 발견을 위해서는 태초의 우주에서 일어났던 폭발을 방불케 하는 에너지의 충돌을 일으킬 수 있는 거대 가속기가 필요합니다. 약 30년간의 준비 기간을 거쳐 제네바의 CERN에서 가속기를 건설한 후에야 비로소 과학자들이 필요한 소립자에 대한 연구를 할 수 있게 되었습니다. 2010년, 6천명의 과학자들이 2개의 거대한 실험을 시작했고 2012년 7월 4일 비로소 그들이 바라 마지않았던 그 소립자를 발견했음을 세상에 알렸습니다. 이 표준 모델은 완벽했고 자연은 브라우트, 앙글레르 그리고 힉스가 만들어낸 법칙에 따라 정확히 운행되고 있음이 밝혀졌습니다. 크나큰 과학의 승리가 아닐 수 없습니다.

힉스 교수님, 앙글레르 교수님, 브라우트 교수님,
스웨덴 왕립과학원은 소립자의 질량을 이해하는 단서를 밝혀 낸 공로로 2013년 노벨 물리학상을 수여하기로 결정했습니다. 스웨덴 왕립과학원을 대표하여 깊은 존경과 찬사를 보냅니다. 이제 전하게 나아가 노벨상을 수상하시겠습니다.