지식보관소_ 초대칭입자 발견으로 초끈이론 증명이 가능할까?

 

 

2021년 업그레이드가 완료될 것으로 보이는

이번 CERN의 업그레이드는

놀랍게도 운 좋으면

첫 번째 초대칭 입자들을 발견할 에너지에

근접할 가능성이 있다는 것입니다.

 

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우리가 현재 알고 있는 표준 모형과 입자들은

어떻게 알게 된 것일까요?

 

표준 모형은

우리가 살고 있는 우주를 구성하는

모든 입자들의 종류를 나타낸 모형입니다.

 

우주에 존재하는 모든 물질은

원자로 이루어져 있고

이 원자들이 다시 원자핵과 전자핵으로 이루어져 있다는 걸 알게 된 인류는

이 원자핵을 더 쪼개면 어떻게 될까? 하는

궁금증을 가지게 됩니다.

 

그리고 1970년대 중반, 쿼크라는 소립자를 발견하게 되면서

본격적으로 표준 모형이 정립되기 시작했는데

대부분의 우리 주변에 있는 입자들은

이 쿼크들과 전자들의 조합으로 이뤄집니다.

 

하지만 더 많은 실험이 진행되면서

현재는 페르미온과 보존 그리고 힉스 입자들로

표준 모형을 구분할 수가 있고

이런 페르미온들은

쿼크들과 랩톤들로 이루어져 있다는 것을 알게 되었습니다.

 

갑자기 어려운 말을 한다고 생각할 수도 있는데

그냥 간단히 말하자면

우주에 존재하는 모든 물질들은

이 17개의 입자들의 조합으로 구성된다는 소리죠.

 

그런데 대체 어떻게 이렇게 작은 소립자들을 발견할 수가 있었던 걸까요?

사실 물리학자들이

원자보다 작은 소립자들을 알아내기 위해 하는 방법은

우리들이 이런 상자나 박스 안에

내용물이 어떤 게 들어있는지 알고 싶을 때 하는 방법과 똑같습니다.

 

얌전히 상자를 열어서 그 내용물을 볼 수 있다면 좋겠지만

그게 불가능할 때는

이렇게 강한 힘으로 상자를 부숴서

그 안에 내용물을 찾아내게 되는 것이죠.

이렇게 물리학자들은 원자에 강한 충격을 줘서

그 안에 내용물을 알아낼 수가 있게 됩니다.

 

물리학자들은 입자가속기라는 장치를 만들어서

원자가 무엇으로 이루어져 있는지 알아내려고 했습니다.

 

현존하는 가장 강력한 강입자 가속기는

스위스에 위치한 CERN인데

CERN에서는 수소이온을 무려 광속의 99.995%까지 가속할 수 있는

놀라운 입자 가속기입니다.

 

그리고 이 입자 가속기를 통해

표준모형에 있는 입자들을 발견하게 되었고

2012년엔 이론상으로만 존재하던 신의 입자라고 불리는

힉스입자까지 발견하면서

17개의 표준모형 입자들을 모두 다 찾아내게 됩니다.

 

그런데 과연 이 17개의 소립자가 우주의 전부일까요?

초대칭 이론은

우주에 존재하는 대칭성에 대한 이론입니다.

전에도 설명했지만

우주는 모든 방면에서 엄청난 대칭성을 가지고 있습니다.

 

지구에서 1기압에서 물이 섭씨 100도에서 끓는다면

은하계 끝에 있는 별로 날아가도

거기서도 1기압을 유지하면

여전히 물은 섭씨 100도에서 끓게 됩니다.

 

그리고 그러한 실험을 어떤 각도에서 바라보든

결과는 동일하고

그 실험 장소가 지구와 상대 속도가 엄청나게 차이 난다고 해도

물론 결과는 동일합니다.

 

이런 점을 근거로 초대칭이론에서는

원자의 스핀에서도

대칭성이 나타날 것으로 생각했습니다.

 

전에도 설명했지만 물론 소립자의 스핀이

소립자가 진짜로 회전하고 있다고 설명하기에는 조금 애매하지만

아무튼 스핀이라고 하는 각 운동량을 가지고 있습니다.

그리고 어차피 이것도 인간이 정의한 값이긴 하지만

페르미온은 광자 대비해서 2분의 1에 해당하는 스핀값을 가지고 있습니다.

 

그리고 초대칭 이론에서는

이런 페르미온에 정수 스핀에 해당하는

초대칭입자가 존재한다고 가정을 합니다.

 

그런데 참 이상하죠.

초대칭이론의 주장과는 다르게

아직까지는 이렇게 이론상으로만 존재하는

초대칭입자가 발견된 적이 없다는 것입니다.

 

그런데 이제 슬슬 소오름 돋는 얘기를 하자면

생각해 보면 힉스입자도 이론상으로만 존재할 뿐

발견된 건 불과 얼마 전인 2012년입니다.

 

입자의 특성으로 생각해 보면

힉스입자를 발견하기 위해

입자가속기가 필요한 에너지양은

페르미온과 보존입자들보다 훨씬 더 컸습니다.

그리고 세계 최대의 강입자 가속기 CERN은

계속해서 시설을 업그레이드하고 있고

2012년 이론상 힉스입자를 발견할 수 있을 것으로 예상되는

에너지양에 도달하자

드디어 이론상에서만 존재하던

힉스입자가 실제로 발견이 되게 된 것입니다.

 

이는 물론 초대칭 입자에서도 유효한 이야기인데

초대칭 입자가 발견되기 위한 이론상 에너지양은

힉스입자를 발견하기 위한

에너지양보다 훨씬 더 크기 때문입니다.

 

이론상 초대칭입자가 발견되기 위한 에너지량은

이렇게 현재 CERN에서 낼 수 있는 최대 에너지양보다도 훨씬 더 크지만

현재 한 가지 좋은 소식이 있습니다.

바로 CERN이 작년 말부터

업그레이드 작업을 다시 시작하고 있다는 것인데요.

 

2021년 업그레이드가 완료될 것으로 보이는

이번 CERN의 업그레이드는

놀랍게도 운 좋으면

첫 번째 초대칭입자들을 발견할 에너지에 근접할 가능성이 있다는 것입니다.

 

그리고 재미있는 건 우리나라도

2006년 한국과 CERN의 협력 MOU를 체결하면서

이 연구에 가담하고 있다는 것인데요.

 

그런데 이렇게 초대칭 입자를 발견하는 것이 그렇게 중요할까요?

초대칭 입자의 발견은

제 채널에서 상당한 인기를 끌었던

초끈이론의 간접적인 증거가 될 수 있다는 점에서

굉장한 의미를 가지고 있는데

참고로 초끈이론에 대해 궁금하신 분들은

제 채널에 있는 초끈이론 영상들을 참고하시면 되겠습니다.

 

초끈이론은 필연적으로 초대칭입자의 존재를 예견하고 있습니다.

모든 소립자들은 가장 작은 끈이나 막(M이론에서)

이 진동패턴으로 그 존재를 설명합니다.

 

그런데 놀랍게도

초끈이론에서 예상하는 진동 패턴은

현재 17개의 기본입자들을 모두 다 포함하고도 남게 됩니다.

그리고 이론상으로 존재하는 진동 패턴 중

초대칭 입자인 것으로 생각되는 패턴이 있다는 것입니다.

 

물론 초대칭 입자가 발견된다고 해서

초끈이론이 맞다라고 증명이 되는 것은 전혀 아닙니다.

하지만 초끈이론을 주장하는 강력한 증거가 될 수 있다는 점은 분명한데요.

간단히 예를 들면

길을 가다가 간판이 없는 상가를 발견하고

‘저 상가는 간판은 없지만 약국일 것이다’라는

그럴듯한 이론을 만들었다고 가정해 봅시다.

 

그런데 약국일 거라는 증거가 없는 상황에서

초대칭입자의 발견은

이 상가 안에 진열된 약품들을 발견한 상황이라고 이해하면 된다는 것이죠.

 

여기에서 물론 초대칭 입자가 발견된다고 해서

초끈이론이 맞는 이론이 된다는 것도 아닌데

대체 뭐가 그렇게 중요하냐라고 생각할 수도 있는데

실질적으로 초끈이론은

증명이 거의 불가능한 이론이라는 점에서

초끈이론이 이론상으로 예측하고 있는 입자가

실제로 존재하는지 발견한다는 것은 엄청난 의미가 있습니다.

 

솔직히 제 개인적인 생각으로는

2021년에 가동하게 되는 CERN이

그 에너지양이 초대칭 입자를 발견하기 위한 에너지양에 도달하는 것은

쉽지 않다고 생각합니다.

하지만 그럼에도 불구하고

초대칭 입자가 실제로 존재할 가능성은

매우 높다고 생각하는데요.

 

과연 이론상으로 먼저 존재가 예견된 입자가

실제로 정말 발견이 될지

매우 궁금한 부분입니다.

그럼 이만.