서평 『시간의 기원』: 우주와 질량의 기원과 힉스 장

힉스 장은 다른 모든 입자에 질량을 부여하기 때문에, 표준모형에 반드시 필요한 요소다. 표준모형의 마지막 퍼즐이었던 힉스 보손은 2012년 대형 강입자 충돌기에서 마침내 발견되었다. 암흑에너지처럼 힉스 보손은 우주공간이 텅 비어있지 않고 눈에 보이지 않는 장으로 가득 차 있음을 다시 한 번 확인시켜주었다. 우주 초기에 힉스 장과 비슷한 장(인플라톤 장)에 의해 인플레이션이 초래했다는 가설을 더욱 신뢰하게 되었다.

표준모형에 의하면 매개입자는 물론이고 심지어 전자와 쿼크까지도 고유의 질량을 갖고 있지 않다. 그러나 이들은 모든 공간에 퍼져있는 힉스 장을 통과할 때 일종의 저항을 받으며 질량을 획득하게 된다. 힉스 장을 통과하는 입자는 장의 저항 때문에 움직임이 둔해지고, 그 결과가 입장의 질량으로 나타나는 것이다. 이 때 입자가 획득하는 질량은 각 입자가 느끼는 힉스 장의 강도에 따라 달라지는데, 예를 들어 쿼크는 힉스 장과 강하게 상호작용 하기 때문에 질량이 크고, 전자는 상호작용이 약해서 질량이 작다. 그리고 광자는 힉스 장과 상호작용을 전혀 하지 않기 때문에 질량이 0이다.

갓 태어난 우주에 평균값이 0인 힉스 장이 골고루 퍼졌으니 모든 입자는 질량이 0이었고, 우주는 높은 대칭성을 갖고 있었다. 입자들이 질량을 갖게 된 것은 힉스 장의 대칭이 붕괴되면서 0이 아닌 값으로 위상변화를 일으켰기 때문이다. 이것은 우주가 복잡성으로 향해 가는 긴 여정의 출발점이었다.

표준 모형은 입자물리학의 일부에 불과하다. 이 이론에서는 약전자기력과 강력이 통일되어 있지만 그 방식이 별로 매끄럽지 않다. 게다가 표준모형은 우주에 존재하는 질량과 에너지의 25%를 차지하는 암흑물질에 대해서는 아무런 설명도 내놓지 못했으며, 시공간을 휘어지게 만드는 주원인인 중력과 암흑에너지에 대해서도 침묵으로 일관하고 있다.