기획·칼럼

초대칭이론, 올해 검증될까?

[김제완의 새로운 과학] 김제완의 새로운 과학(20)

원숭이의 해로 상징되는 2016년이 저물고 새벽을 알리는 닭의 해가 밝아졌다. 지난해는 말도 많고 어수선한 한 해였다. 최순실 사건으로 국정 자체를 흔드는 사건이 일어났고 그 여파가 아직은 우리나라를 뒤흔들고 있다. 과학적으로도 여러 면에서 많은 사건들이 있었던 한 해였다.

중력파를 관찰했다는 LIGO(Laser Interferometer Gravitational Observatory)팀의 발표가 가장 큰 기사였을 것이다. 빛으로만 세상을 보다가 전파시대로 옮겨가고 한 발자국 더 나아가서 방사선 동위원소에서 나오는 방사선 특히 중성미자파로 세상을 관찰하기 시작했고 가장 넓게 볼 수 있는 중력파로 이 세상을 보는 시대가 된 것이다.

두 번째로 획기적인 사건은 과학자들이 비입자(非粒子)의 존재를 확인한 것이다.

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고대 희랍시대로부터 이 우주를 이루고 있는 물질은 그 기본이 입자라고 생각해왔다. 현대 입자물리학에 의하면 이 우주의 물질들은 원자의 모임이고, 원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있고, 원자핵은 다시 ‘쿼크(Quark)’라는 더 작은 입자들을 ‘글루온(Gluon)’이란 힘의 입자가 묶어주어 이루어지고 있다는 것이 정설이다.

복잡한 설명을 요약하면 이 세상의 모든 물질은 쿼크와 전자와 그 사촌격인 ‘렙턴(Lepton)’으로 이루어져 있다는 것이다. 이러한 표준모형은 실험을 거쳐 증명되었고 이를 주장한 와인버그-살렘-글라샤우(Weinberg-Salam-Glashow)는 1977년도 노벨물리학상을 수상한바 있다.

비입자는 질량이 따로 없고 모든 4차원 물리량이 운동량에 비례하여 늘어난다

그런데 이 표준모형에도 많은 기여를 한 하워드 조지아이(Howard Georgi) 하버드대 교수가 새로운 형태의 기본 모형을 들고 나왔다. 그의 이론에 의하면 소립자를 만들어 내는 양자장(Quantum Field)도 있지만 이와는 다른 성질의 비입자(Unparticle Field)도 있어야 된다는 주장이었다. 조지아이의 비입자 이론은 ‘4차원으로 표현되는 이 비입자는 질량이 따로 없고 모든 4차원 물리량이 운동량에 비례하여 늘어난다’는 것이다.

즉 운동량(속도×질량)과 비례하는 비입자의 모습은 운동량이 변하면 그에 따라 그 모습이 스케일만 커져 모양은 변하지 않는다는 말이다. 이쯤 되면 생각나는 단어가 떠오르기를 기대해본다. 이런 성질은 ‘프렉탈'(Fractal)이라고 하고 많은 자연현상에 나타나고 있다. 예를 들어서 해안선의 모습은 ‘프렉탈’로 되어 있고, 미술에 조예가 있으신 분이면 곧 잭슨 폴락(Jackson Pollock)의 이름이 떠오를 것이다.

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2017년에는 어떤 과학이 떠오를까? 우선 첫째로 초대칭(Supersymmetry)이론의 검증이 유럽 제네바에 있는 가속기 LHC 에서 이루어질 것 같은 예감이 든다. 초대칭 이론은 브르노 즈미노(Bruno Zumino)와 주리언 베스(Julian Wess)의 팀이 만들어낸 이론이다.

이 세상에는 두 종류의 소립자가 있다. 이들의 스핀(spin)은 정수와 반정수로  이루어져있다. 정수인 쪽을 본존(Boson)이라하고 이들은 스핀이 0,1,2,3,…… 로 되어 있다. 이 중에서 스핀이 1인 소립자 가운데는 빛의 알갱이 photon이 있고 반정수인 소립자 즉 페르미온은 1/2, 3/2, 5/2     …… 로 되어 있고 쿼크는 스핀이 1/2이다.

그런데 초대칭성 이론이 맞다면 빛의 소립자인 photon에 대응 하는 스핀이 1/2인 포티노(photino)가 있어야 하고 스핀 1/2인 쿼크에 대응하는 스핀이 0인 스쿼크(squark)가 있어야 된다.

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이런 초대칭 이론의 개발자 가운데 한 사람인 베스(Wess)는 서울대학교에 객원교수로 와 있었으면서 아태이론물리센터 및 서울대학교 자연과학대학 육성사업에도 크게 공헌한 바 있다.

이러한 초대칭 이론을 배경으로 ‘초끈(Superstring)’이란 아름답고 깊은 뜻을 지닌 이론이 탄생된다. 초끈이론이란 이해하기 어려운 소립자 물리 이론이다. 구체적인 설명을 하려면 어려운 수학을 이해하여야 하지만 대충 말하면 아래와 같다.

11개의 차원이 필요한 ‘초끈이론’

20세기 초가 되면서 새로운 물리학이 싹트기 시작했다. 소련의 쾨니히스베르크(Koenigsberg) 대학의 젊은 강사 프란츠 칼루자(F.Kaluza)라는 사람이 새롭고도 놀라운 이론을 제시한 것을 아는 사람은 그리 많지 않다. 칼루자는 중력과 전자기력을 통합한 자신의 새로운 이론을 소개하면서 아인슈타인의 이론 중 일부를 반박했다. 이를테면 이 세상은 아인슈타인의 주장대로 시공간으로 이뤄진 4차원 세계가 아니라 5차원 세계여야 한다는 주장이었다.

이 5차원 세상은 아주 가느다란 관의 표면이어서 눈에는 보이지 않지만 멕스웰 방정식으로 표시되는 전자기(電磁氣)의 세계라는 것이다. 이러한 고차원 이론을 1980년대가 되면서 더 발전시키게 된다.

앞에서도 설명한 것처럼 힘의 매개가 되는 보존입자에 대응하는 입자, 즉 물질을 이루는 페르미온 입자가 반드시 존재한다고 한다. 예를 들어 전자기적인 힘을 전달하는 광입자가 있으면 이에 대응하는 초광입자가 존재한다는 것이다. 또 전자가 있으면 초전자가 있으며 초중력자가 반드시 있어야 한다는 것이다.

미국 프린스턴대학의 위튼 교수는 초중력 이론에서 말하는 네 가지 힘(중력, 핵력, 약력, 전자기력)을 다 포함시키려면 11개 차원이 필요하다고 밝혔다. 그중 네 개는 우리가 느끼고 보는 이 세상이며 다른 일곱 개의 차원은 10-33cm 정도로 작기 때문에 느끼지도 보지도 못한다는 것이다. 이것이 초끈 이론을 최대한 요약한 설명이 되겠다.

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2017년이 넘어가기 전에 이런 놀라운 “초끈”이론이 밝혀지기를 기대하면서 오늘은 여기에서 매듭짓겠다.

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