[천문학 칼럼 387회] 톱쿼크의 허구에 대하여 4편

우주에 관한 왜곡된 정보는 인류사회에 공포와 허무감을 조성하며 막대한 경제적 피해를 끼친다. 그 왜곡된 정보는 과학이라는 명분으로 잘 포장되어 언론을 통해 유포되며, 인류에게 공포와 허무감을 줄뿐만 아니라, 45조원 이상의 막대한 경제적 피해까지 끼치고 있는 것이다. 아울러 그 왜곡된 정보의 비과학적 실체를 밝히는 것은, 인류문명의 완성을 위해 매우 중요하다.

동아일보에 다음과 같은 기사가 실렸다.

입자 X파일’ 실마리… 물리학계 ‘빅뱅’ 오나

2011년 5월 20일 동아일보

힉스-톱 쿼크-암흑물질 등 입자물리학계 잇단 성과

“유럽입자물리연구소의 거대강입자가속기(LHC) 실험에서 힉스 입자가 발견됐다.”

페르미연구소에 있는 거대가속기 테바트론의 CDF 검출기. 최근 톱 쿼크의 특이한 행동을 검출해 주목받고 있다. 페르미연구소 제공

4월 21일 유명 과학 블로그인 낫 이븐 롱(Not Even Wrong)에 ‘신의 입자’로 불리는 힉스 입자가 마침내 모습을 드러냈다는 글이 올라오자 입자물리학계가 발칵 뒤집혔다. 힉스 입자란 다른 모든 입자에 질량을 부여하는 기본 입자로 1964년 그 존재가 예측됐지만 아직까지 발견되지 않은 ‘입자물리학의 성배’다.
주요 언론이 앞 다퉈 이 사실을 보도하자 CERN은 “아직 데이터를 분석하고 있는 중”이라고 서둘러 진화에 나섰고 5월 8일에는 “힉스 입자의 증거를 찾지 못했다”고 발표했다. CERN의 롤프디터 호이어 소장은 17일 영국 왕립학회 인터뷰에서 “2012년 말까지는 힉스 입자의 존재 여부를 알 수 있을 것”이라고 말했다.

○ 표준모형 깨질까
최근 LHC가 가동되기 시작하면서 1등자리는 빼앗겼지만 미국 페르미연구소의 거대가속기 테바트론에서도 흥미로운 데이터가 나오고 있다. 양성자와 그 반물질인 반양성자를 충돌시켰을 때 발생하는 톱 쿼크의 ‘이상 행동’이 포착된 것.
톱 쿼크는 기본 입자인 쿼크 6가지 가운데 질량이 가장 큰 쿼크다. 현재 입자물리학의 각종 현상을 설명하는 바이블인 ‘표준모형’에 따르면 이때 발생한 톱 쿼크는 사방으로 균일하게 퍼져 나가야 하는데 실험데이터는 특정한 방향으로 많이 분출되는 모습을 보여준다.
“사소한 문제 같지만 입자물리학자의 관점에서는 매우 중요한 관찰입니다. 만일 이 데이터가 진짜라면 표준모형이 틀렸다는 말이니까요.”
기초기술연구회 세미나 참석차 내한한 페르미연구소의 김영기 부소장(49)은 올여름 안에 결과가 나올 것이라며 흥분을 감추지 못했다. 입자물리학자로 1990년부터 테바트론에서 연구했던 김 부소장은 올해를 끝으로 테바트론이 가동을 멈추고 해체되기 때문에 심정이 남다르다.
“1995년 테바트론에서 이론으로만 예측되던 톱 쿼크를 발견했을 때의 감동을 잊을 수가 없습니다. 이번에 관찰된 현상이 진짜라면 테바트론의 화려한 피날레인 셈이지요.”

○ 암흑물질 미래는 밝다

암흑물질검출기의 하나인 CoGeNT의 핵심 부품인 게르마늄 결정. 순도가 매우 높아 통과하는 암흑물질에 민감하게 반응할 수 있다. CoGeNT 제공

힉스 입자와 함께 초미의 관심사는 암흑물질의 실체 규명이다. 우리가 알고 있는 물질은 현재 우주를 이루는 질량의 15% 정도다. 나머지 85%가 암흑물질이지만 그 실체는 여전히 오리무중. 다만 이처럼 검출하기 어렵기 때문에 기존 물질과 상호작용을 거의 하지 않을 것으로 추정하고 있다.
그런데 최근 미국 미네소타의 폐광산에 설치된 ‘CoGeNT’라는 검출기에서 암흑물질로 추정되는 신호를 포착했다는 연구 결과가 나왔다. 다른 검출기에서는 신호인지 잡음인지 확정하지 못하기도 했고 아직 검출이 안 된 것도 있다. 만일 ‘CoGeNT’의 신호가 진짜라면 암흑물질의 존재가 예측된 지 80여 년 만에 그 존재가 확인되는 셈이다. 김 부소장은 “최근 장비가 거대해지고 검출기의 성능이 개선되면서 새로운 발견들이 쏟아지고 있다”며 “1995년 톱 쿼크의 발견에 버금가는 놀라운 발견의 순간이 임박한 듯하다”며 기대감을 드러냈다.

기사 내용에 대한 진실:

2,342. 기사는 다음과 같이 전한다.

4월 21일 유명 과학 블로그인 낫 이븐 롱(Not Even Wrong)에 ‘신의 입자’로 불리는 힉스 입자가 마침내 모습을 드러냈다는 글이 올라오자 입자물리학계가 발칵 뒤집혔다. 힉스 입자란 다른 모든 입자에 질량을 부여하는 기본 입자로 1964년 그 존재가 예측됐지만 아직까지 발견되지 않은 ‘입자물리학의 성배’다

- 위 주장대로 만약 빅뱅 전에 힉스입자란 것이 존재했다면 그 엄청난 질량에 의한 중력이 존재했을 것이고, 그 중력의 중심에는 현재우주에 존재하는 블랙홀들을 모두 합친 것보다 더 거대한 블랙홀이 존재하게 된다.

블랙홀에서는 모든 물질이 붕괴되며 해체된다. 그런즉, 그 환경에서는 힉스입자가 다른 입자들에 질량을 부여하기는커녕, 오히려 힉스입자조차도 해체되며 사라지고 만다.

이 진실을 물리적 증거로 반론할 수 있는가?

2,343. 기사는 다음과 같이 전한다.

최근 LHC가 가동되기 시작하면서 1등자리는 빼앗겼지만, 미국 페르미연구소의 거대가속기 테바트론에서도 흥미로운 데이터가 나오고 있다. 양성자와 그 반물질인 반양성자를 충돌시켰을 때 발생하는 톱 쿼크의 ‘이상 행동’이 포착된 것.
톱 쿼크는 기본 입자인 쿼크 6가지 가운데 질량이 가장 큰 쿼크다. 현재 입자물리학의 각종 현상을 설명하는 바이블인 ‘표준모형’에 따르면 이때 발생한 톱 쿼크는 사방으로 균일하게 퍼져 나가야 하는데 실험데이터는 특정한 방향으로 많이 분출되는 모습을 보여준다.

- 입자가속기에서 인공적으로 고에너지를 얻은 양성자와 반양성자가 충돌한다는 것은 곧 방전현상이다. 전기선이 합선되면 불꽃이 튀는 것처럼, +양전기를 띤 양성자와 -음전기를 띤 반양성자가 충돌하면 불꽃이 튀면서 붕괴되며 사라진다. 그런즉, 불꽃은 양성자들이 폭발하며 붕괴-해체되는 파편들이다.

그 폭발력에 의해 톱 쿼크와 반-톱 쿼크의 쌍이 생성되고, 이것은 W 보존의 쌍(W+W--)과 b 쿼크의 쌍( b anti-b)으로 해체된다. 그리고 이 W 보존은 또 다시 급속하게 붕괴하여 쿼크들이나 경입자 쌍으로 해체된다. 쿼크로의 해체는 W+의 경우 u anti-d나 c anti-s로 변하며, 같은 족끼리 중간자를 형성하여 붕괴한다. 혹은 다른 족의 쿼크끼리 결합되어 중간자를 형성하는 것도 가능하지만, 이는 매우 드물게 일어난다. W 보존이 경입자로 해체되는 경우는 양전자와 전자중성미자 또는 반-뮤온과 뮤온중성미자 또는 반-타우와 타우중성미자가 있다. 이 같은 현상은 톱 쿼크가 그 입자들로 조립되었다는 것을 보여준다.

즉, 톱 쿼크의 부속품이라 할 수 있다.

그런데 입자가속기에는 톱 쿼크가 붕괴된 잔해의 부속품(입자)들이 존재하지 않는다.

입자가속기를 멈추고 아무리 샅샅이 뒤져도, 절대로 그 입자들을 찾을 수 없다.

그리고 입자가속기를 가동하며 양성자와 반양성자를 충돌시키면, 또 톱 쿼크와 같은 인공입자들이 생겨났다가 사라지며 그 잔해-입자들이 나타난다.

그럼 톱 쿼크의 부속품 입자들은 어디서 어떻게 생겨나는 것인가?

이제 그들은 이 질문에 대답해야 한다. 하지만 그들은 영원히 대답할 수 없다.

양성자와 그 반물질인 반양성자를 충돌시켰을 때 발생하는 에너지를 흡수한 주변의 원-입자들은, 반-타우와 타우중성미자, 반-뮤온과 뮤온중성미자, 양전자와 전자중성미자, b-쿼크의 쌍, W-보존의 쌍 등의 입자들로 변환된다. 그리고 그 입자들이 또 결합하여 톱 쿼크로 생겨나는 동시에 해체된다.

이처럼 입자가속기에서 생겨난 입자들은 그때의 에너지 영향에 따라, 붕괴-해체되는 각도의 모양이 다를 수 있다. 페르미연구소의 테바트론 거대가속기는 그 결과를 보여주고 있다.

그런데 그것을 힉스입자일 수도 있다며 주장하는 것이다.

이 진실을 물리적 증거로 반론할 수 있는가?

2,344. 기사는 다음과 같이 전한다.

최근 미국 미네소타의 폐광산에 설치된 ‘CoGeNT’라는 검출기에서 암흑물질로 추정되는 신호를 포착했다는 연구 결과가 나왔다. 다른 검출기에서는 신호인지 잡음인지 확정하지 못하기도 했고 아직 검출이 안 된 것도 있다. 만일 ‘CoGeNT’의 신호가 진짜라면 암흑물질의 존재가 예측된 지 80여 년 만에 그 존재가 확인되는 셈이다. 김 부소장은 “최근 장비가 거대해지고 검출기의 성능이 개선되면서 새로운 발견들이 쏟아지고 있다”며 “1995년 톱 쿼크의 발견에 버금가는 놀라운 발견의 순간이 임박한 듯하다”며 기대감을 드러냈다.

- 우주에서 암흑물질은 그 은하가 생겨난 토양이며 위치에너지이다.

때문에 모든 은하들은 자기가 태어난 토양인 암흑물질과 함께 존재한다.

식물이 태어난 토양에 뿌리를 박고 있듯이, 은하들도 자기가 태어난 토양인 암흑물질에 뿌리를 두고 있는 것이다.

암흑물질은 은하의 질량에 비해 10배 정도의 질량을 갖고 있는데, 그 토양에서 생겨난 은하는 대지에서 탄생한 생명체와 같으며, 땅위에 세워진 도시와 같다고 할 수 있다. 대지에서 자라는 식물과, 땅위에 세워진 도시에게 있어 지구는 바탕이다. 때문에 지구가 돌면 함께 돌고, 지구가 멈추면 같이 멈추게 된다.

마찬가지로 암흑물질과 은하도 함께 회전하며 움직인다. 때문에 은하 중심에서 가까운 곳에 있는 별들과, 먼 곳에 있는 별들이 거의 같은 속도로 회전할 수 있다.

은하의 질량이 커질수록 암흑물질도 증가하고, 암흑물질이 증가할수록 은하의 질량도 커진다. 은하에서 방출하는 에너지는 주변의 암흑에너지를 이루고 있는 원-입자들을 결합시켜 암흑물질로 변환시키고, 별들이 생성되는 은하의 궤도 밖에서 확산성운에 밀착해 있는 암흑물질은 수소로 생성되며 은하의 질량을 확장시키는 것이다.

또한 은하에서 방출하는 에너지는, 주변의 원-입자들을 결합시켜 중력입자로 변환시키며 중력장을 형성한다. 따라서 암흑물질을 포함한 은하의 모든 천체들은, 중력장이라는 그 그릇에 담기게 된다.

중력은 빛을 휘게 함으로, 중력렌즈 효과를 이용한 관측을 통해 은하의 질량과, 그 보다 10배 정도 많은 암흑물질의 질량을 가늠할 수 있다.

중력장 안에는 3대 위치에너지가 존재하는데, 그것은 중력, 암흑물질, 궤도를 이루고 있는 입자들이 가진 에너지이다. 이 위치에너지는 중력장을 이탈하지 않는다.

원자핵에서 방출하는 에너지는 주변의 원-입자들을 결합시켜 궤도를 형성하는데, 이 궤도는 항성의 중심핵으로 몰리는 중력의 압력으로부터 안정을 취하기 위한 보호막-껍데기 역할을 한다. 그래서 큰 질량을 가진 항성의 중력은 그 원자껍데기를 붕괴시켜 핵융합을 이루지만, 목성과 같이 질량이 작은 행성의 중력은 그 원자껍데기를 붕괴시킬 수 없으므로 핵융합을 이룰 수가 없다. 그런데 그 원자껍데기-궤도를 이루는 입자들이 중성미자처럼 이동해버린다면 어떻게 되겠는가?

그럴 경우 목성도 핵융합을 통해 태양처럼 빛나는 별이 될 것이다. 아울러 은하의 궤도를 이루는 입자들이 이동한다면, 은하를 이루고 있는 별과 행성들은 궤도를 잃고 서로 충돌하며 아수라장이 될 것이다.

은하의 궤도를 이루고 있는 입자들과 마찬가지로, 암흑물질도 위치에너지를 갖고 있다.

그런즉, 암흑물질이 중성미자처럼 지구에서 검출이 가능한 입자라면, 중력과 상호작용을 할 수가 없다. 중성미자는 이동에너지를 가진 입자이므로, 지구 중력장을 그냥 통과하여 우주로 멀리 날아가 버리기 때문이다.

은하 중심에서 가까운 별들과, 먼 곳에 있는 별들은 거의 같은 속도로 회전하고 있다.

이는 암흑물질이 중력자와 더불어 은하의 위치에너지란 물리적 증거이다.

즉, 암흑물질은 은하가 태어난 토양으로서, 모든 은하들의 위치에너지이다. 때문에 중력, 궤도, 암흑물질을 이루고 있는 입자들은 위치에너지를 가진 존재로서, 중력장을 떠나지 않는다는 것이다.

은하의 궤도나 다른 행성의 중력장을 이루는 입자들이 지구에서 검출할 수 있을 정도로 이동하는 에너지를 가졌다면, 우주의 모든 시스템은 붕괴되고 만다. 행성과 행성들이 충돌하고, 지구를 비롯한 행성들이 태양 속에 처박히게 되는 것이다.

하지만 중력장이나 궤도를 이루는 입자들은 위치에너지를 가졌으므로, 태양계를 비롯한 우주의 시스템-질서가 유지될 수 있다. 암흑물질도 각 은하들이 태어난 토양으로서, 중력장과 더불어 그 은하의 위치에너지이다.

그러므로 지구에서 그 암흑물질을 채취하겠다고 하는 것은, 참으로 허황된 일이 아닐 수 없다. 그냥 돈과 인력만 낭비하는 일이 될 테니 말이다.

우주의 모든 은하들에 중력장이 존재한다고 하여, 지구에서 그 중력자를 검출할 수 있겠는가? 또 태양계의 각 행성들이 궤도를 따라 존재한다고 하여, 그 궤도를 이루고 있는 입자들을 지구에서 검출할 수 있겠는가?

만약 그것을 검출하겠다며 과학자의 인생을 걸고 평생을 바친다거나, 정부에서 수조원 이상의 막대한 자금을 투자한다면 얼마나 황당한 일인가?

마찬가지로 암흑물질도 중력장이나 궤도를 이루고 있는 입자들과 같이 위치에너지를 갖고 있기 때문에, 지구에서 검출할 수 있는 대상이 아니란 것이다.

두 개의 은하가 충돌할 때 방출되는 에너지에 의해, 주변의 원-입자들이 결합하여 질량이 큰 입자로 변환되기도 하며, 두 은하의 토양인 암흑물질이 결합하여 관측 가능한 질량을 가진 입자로 변환되기도 한다. 암흑에너지나 암흑물질과 같이 위치에너지를 가진 입자들은, 상대성에 따라 변화무쌍한 것이다.

이 진실을 물리적 증거로 반론할 수 있는가?