3'50" 읽기
- 우리 우주의 거의 95%는 문자 그대로 암흑 속에 있다. 암흑 물질과 암흑 에너지가 지배
- 2022년 여름에 시작되는 CERN의 LHC 3기에서 적어도 일부 답변이 예상돼
- 2040년 이후 기간 100km 가속 링이 이미 계획.
- Future Circular Collider(FCC)에서 전자와 양전자는 충돌해 "힉스 공장 역할"

Higgs와 LHC 다음에는 무엇이?

힉스입자의 발견은 물리학의 이정표이자 대성공이었다. 그러나 그 이후로 입자 물리학의 더 큰 발견은 구체화되지 않았고 많은 큰 질문이 풀리지 않은 채로 남아 있다. 물리학자들이 무엇보다 LHC의 두 번째 런타임과 힉스입자의 탐사에서 바라던 새로운 입자의 홍수와 돌파구가 오랜 시간이 흘렀다. 

▲ 힉스 입자의 발견 이후, LHC와 그 검출기(여기서 CMS)는 큰 돌파구를 만들지 못했다. © CERN / Maximilien Brice

"어떤 사람들은 고개를 숙이고 실망하거나 심지어 우울해하며 '힉스를 발견했을 뿐이고 다른 것은 아무것도 없었다'고 불평하며 돌아다니고 있다"라고 프린스턴 고등연구소의 Nima Arkani-Hamed가 최근 CERN Courier에 말했다.

중력과 반물질의 추측

사실, 물리학이 명확히 해야 할 답이 없는 질문이 여전히 많이 있다.
힉스입자가 표준 모형에서 일부 모호성을 제거하더라도 여전히 큰 격차가 있기 때문이다. 물리학자들은 여전히 ​​네 번째 기본 힘인 중력이 나머지 기본 힘들과 어떻게 관련되어 있는지에 대한 실질적인 설명을 하지 못하고 있다. 알버트 아인슈타인은 이 질문에 헛되이 대답하려고 했다. 중력에 다른 기본 힘과 유사한 운반 입자가 있는지 여부도 미해결 문제다.

또한 우리 우주가 빅뱅 직후에 다시 붕괴되지 않은 이유도 불분명하다. 그 당시에는 동일한 양의 물질과 반물질이 생성되어야 했기 때문에 서로를 소멸시켰을 것이다. 그러나 대멸종은 분명히 실현되지 않았다. 그렇지 않으면 우리는 존재하지 않을 것이다. 따라서 과학자들은 입자와 그 반물질의 특성이나 행동에 미묘한 차이가 있었음에 틀림없다고 생각한다. 지금까지 그것을 찾는 것은 헛된 일이었다.

다크 섹터

또한 우리 우주의 거의 95%는 문자 그대로 암흑 속에 있다. 암흑 물질과 암흑 에너지가 지배하고 있다. 이 두 가지 영향 요인은 아직 성격이 완전히 알려지지 않았다. 암흑 에너지는 우주 팽창의 원동력이다. 그러나 이것이 어떻게 그리고 왜 우주 팽창이 가속되고 있는지는 천문학자와 물리학자들에게 여전히 미스터리다.

▲ 우주의 전체 "어두운" 부분은 표준 모델에 나타나지 않는다. ©NASA

암흑 물질은 조금 더 잘 연구되기는 하지만 거의 불가사의다. 그것으로부터 우리는 그것이 우주의 거의 모든 곳에 존재해야 함을 안다. 은하계 공간뿐만 아니라 은하수의 후광 또는 심지어 우리 태양계에도 존재한다. 그들의 존재는 은하단과 은하의 모양과 움직임을 형성한다. 그러나 암흑 물질은 거의 독점적으로 중력을 통해 정상 물질과 상호 작용하기 때문에 그 성질도 불분명하다. 암흑 물질이 어떤 종류의 입자로 구성되어 있는지, 그리고 힉스와 같은 입자가 그 뒤에 있을 수 있는지 여전히 미해결 문제다.

그들은 모두 어디에 있을까?

입자 물리학 분야의 거동과 속성에 대한 몇 가지 근본적인 질문은 아직 답이 없다. 하나는 알려진 모든 입자에 대해 아직 알려지지 않은 더 무거운 파트너가 있어야 한다는 초대칭 이론에 관한 것이다. 사실, 이 이론의 지지자들은 LHC의 첫 번째 실행에서 그러한 SUSY 입자의 과잉을 이미 기대했지만, 지금까지 데이터에서 이러한 가상 입자의 흔적은 없다.

중성미자의 경우, 물리학자들은 이 "유령 입자"의 무균 형태가 네 번째인지 여부를 여전히 명확히 하려고 노력하고 있다. 그리고 전자기력과 약한 기본력을 전자기력 상호작용으로 결합하면 여전히 해결되지 않은 불일치가 있다. 힉스 보존과 그 붕괴에 대한 더 많은 정보를 바라는 것은 바로 이 분야다.

향후 계획은?

이러한 모든 현상은 "새로운 물리학"에 대해 아직 알려지지 않은 프로세스와 입자로 인한 것일 수 있다. 지금까지 그것은 물리학계의 눈에서 성공적으로 자신을 숨겼다. LHC와 다른 입자 가속기의 물리학자들은 뮤온의 자기 모멘트와 B 중간자 붕괴를 포함한 몇 가지 명백한 편차를 발견했다. 그러나 지금까지 큰 질문에 대한 답변은 없었다.

2022년 여름에 시작되는 CERN의 LHC 3기에서 이제 적어도 일부 답변이 예상된다. 훨씬 더 강력하고 빈번한 충돌은 적어도 이미 암시된 변칙성을 확인하고 명확히 할 수 있기 때문이다. 아직 설명되지 않은 많은 현상은 LHC가 양성자 충돌에서 생성할 수 있는 최대 13.4테라전자볼트보다 더 많은 에너지와 다른 방법을 필요로 한다.

LHC 이후

이러한 이유로 훨씬 더 강력하고 더 큰 입자 가속기를 포함하는 일부 후속 프로젝트가 이미 논의되고 있다. CERN에서 "Physics Beyond Colliders" 프로그램은 기존 가속기 링을 계속 사용하는 방법에 관한 것이다. 동시에 2040년 이후 기간 100km 가속 링이 이미 계획되고 있다.이 "Future Circular Collider"(FCC)에서 전자와 양전자는 처음에 충돌하여 "힉스 공장" 역할을 한다. 그것들은 더 적은 에너지로 충돌하지만 더 적은 스퓨리어스 입자를 생성하므로 힉스 제품의 분석이 더 쉽다.

▲ 계획된 미래 원형 충돌기(FCC)는 최대 100테라전자볼트의 에너지와 충돌할 수 있어야 한다. © CERN

나중에 FCC에서 최대 100테라전자볼트의 에너지를 가진 양성자 충돌이 발생한다. 중국은 또한 전자와 양전자를 위한 유사하게 큰 고리 가속기의 형태로 CEPC와 함께 Higgs 공장을 계획하고 있다. 일본에서는 선형가속기가 논의 중이지만 정부가 자금조달을 지원할지는 미지수다. 크고 값비싼 시설 외에도 일부 물리학자들은 플라즈마 레이저를 사용하여 전자를 가속하는 새로운 미니 가속기에 희망을 걸고 있다. 에너지는 다소 낮지만 저렴하고 어디에서나 사용할 수 있으며 특정 하위 측면을 연구할 수 있다.

"Nature Reviews Physics" 저널은 2019년 사설에서 "이러한 프로젝트 중 어느 것이 구현되고 어떤 것이 목표를 달성할 것인지 말하기에는 너무 이르다"고 논평했다. "하지만 한 가지는 분명하다. 표준 모델을 넘어서는 새로운 물리학을 발견하기 위해서는 우리가 가진 모든 것을 링에 던져야 한다. 큰 고에너지 입자 가속기, 더 낮은 에너지에서의 소규모 실험, 천체 물리학 관찰이다." (끝)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]