우리 몸무게의 대부분은 힉스 입자에서 오지 않는다

힉스 입자가 질량을 준다는 설명은 사실이지만, 그것이 우리 몸무게의 대부분을 설명하지는 않는다. 우리 몸을 이루는 질량의 대부분은 원자핵 속 양성자와 중성자에 있고, 양성자와 중성자의 질량 가운데 힉스 메커니즘으로 생긴 쿼크의 질량은 몇 퍼센트에 불과하다. 나머지는 쿼크들을 묶어 두는 강한 힘의 에너지가 질량으로 나타난 것이다.

힉스 메커니즘은 무엇에 질량을 주나

힉스 메커니즘은 전자, 쿼크 같은 기본 입자들이 질량을 갖게 되는 원리다. 우주 전체에 힉스장이라는 장이 퍼져 있고, 입자들이 이 장과 얼마나 강하게 상호작용하느냐에 따라 질량이 정해진다는 것이다. 2012년 유럽입자물리연구소의 대형 강입자 충돌기에서 힉스장의 흔적인 힉스 입자가 발견되면서 이 설명은 강력한 증거를 얻었다.

여기서 중요한 단어는 '기본 입자'다. 힉스 메커니즘은 더 쪼갤 수 없는 입자들의 질량을 설명한다. 그런데 양성자와 중성자는 기본 입자가 아니다. 각각 쿼크 세 개가 모여 이루어진 복합 입자다.

쿼크의 질량을 더하면 양성자 질량이 되나

되지 않는다. 양성자는 위 쿼크 두 개와 아래 쿼크 한 개로 이루어진다. 이 세 쿼크가 힉스 메커니즘으로 얻은 질량을 모두 더해도 양성자 질량의 1~2퍼센트 정도밖에 되지 않는다. 중성자도 사정이 비슷하다. 그렇다면 나머지 98퍼센트 남짓은 어디서 올까.

답은 아인슈타인의 유명한 식, 질량과 에너지가 같다는 관계에 있다. 양성자 안에서 쿼크들은 강한 힘으로 단단히 묶여 있다. 이 힘을 전달하는 입자인 글루온이 쿼크 사이를 끊임없이 오가고, 쿼크들은 좁은 공간 안에서 맹렬하게 움직인다. 이 움직임의 에너지와 글루온 장의 에너지가 합쳐져 양성자의 질량으로 나타난다. 양성자는 가벼운 알갱이 세 개가 아니라, 엄청난 에너지가 응축된 작은 덩어리인 셈이다.

질량의 근원	양성자 질량에서 차지하는 몫
힉스 메커니즘으로 생긴 쿼크의 질량	아주 작음 (1~2% 안팎)
쿼크와 글루온의 운동·장 에너지	대부분

강한 힘은 왜 이렇게 큰 에너지를 만드나

강한 힘은 독특한 성질을 갖는다. 대부분의 힘은 거리가 멀어질수록 약해지지만, 강한 힘은 쿼크들을 떼어 놓으려 할수록 오히려 강해진다. 그래서 쿼크는 혼자 떨어져 나오지 못하고 늘 다른 쿼크와 묶인 채로 존재한다. 이를 쿼크 가둠이라 부른다.

좁은 공간에 갇힌 쿼크들은 불확정성 원리 때문에 가만히 있을 수 없다. 위치가 좁게 정해질수록 운동량은 크게 흔들리고, 그만큼 큰 운동 에너지를 갖는다. 여기에 글루온 장 자체의 에너지가 더해진다. 이 계산은 매우 복잡해서, 물리학자들은 시공간을 격자로 나눈 거대한 컴퓨터 시뮬레이션으로 양성자의 질량을 계산해 왔다. 그 결과는 실험으로 잰 양성자 질량과 잘 맞는다.

그렇다면 힉스 메커니즘은 덜 중요한가

그렇지 않다. 힉스 메커니즘이 없다면 전자는 질량을 갖지 못한다. 질량이 없는 전자는 원자핵에 붙잡혀 원자를 이룰 수 없고, 화학도 생명도 존재할 수 없다. 쿼크의 작은 질량 차이도 중요하다. 아래 쿼크가 위 쿼크보다 조금 무거운 덕분에 중성자가 양성자보다 조금 무겁고, 이 미세한 차이가 원소들이 안정하게 존재하는 데 결정적인 역할을 한다. 힉스는 우리 몸무게의 대부분을 만들지는 않지만, 우리 몸을 이루는 원자가 존재할 수 있게 하는 조건을 만든다.

아직 밝혀지지 않은 것

양성자 질량을 계산으로 재현하는 데는 성공했지만, 그 질량이 쿼크의 움직임과 글루온 장에 정확히 어떻게 나뉘어 있는지는 여전히 연구 중이다. 양성자의 크기나 회전, 곧 스핀이 어디서 오는지도 완전히 풀리지 않은 문제다. 가장 흔한 입자인 양성자 하나도 그 내부는 아직 다 들여다보지 못한 셈이다.