칼럼니스트 나탈리 월초버(Natalie Wolchover)는 입자물리학 분야가 심각한 위기에 빠진 지 10여년이 지난 후 입자물리학자들을 만나 이야기를 나눴습니다.
Large Hadron Collider는 새로운 물리학을 발견하지 못했습니다. 이제 어떡하지?
크리스티나 아미티지/Quanta 매거진
소개
2012년 7월, 유럽 LHC(Large Hadron Collider)의 물리학자들은 오랫동안 기다려온 아원자 세계의 핵심 요소인 힉스 보손(Higgs boson)의 발견을 의기양양하게 발표했습니다. 힉스 보손과 상호작용하면 다른 기본 입자에 질량이 스며들어 원자로 조립될 수 있을 만큼 속도가 느려지고, 원자가 뭉쳐서 다른 모든 것을 만듭니다.
몇 달 후, 저는 Quanta가 된 신생 과학 잡지의 첫 번째 기자로 취직했습니다. . 알고 보니 드라마가 시작되는 순간 물리 비트를 시작하고 있었습니다.
드라마는 힉스 입자에 관한 것이 아니었습니다. LHC에서 그것이 실현되었을 때 이미 그 존재에 대해서는 거의 의심이 없었습니다. 힉스는 1970년대에 알려진 25개의 기본 입자와 그 상호 작용을 지배하는 방정식 세트인 입자 물리학의 표준 모델의 마지막 부분이었습니다.
더욱 놀라운 사실은 데이터에서 나타나지 않은 사실이었습니다.
물리학자들은 표준 모델을 확인하는 것뿐만 아니라 보다 완전한 자연 이론의 구성 요소를 밝혀 표준 모델을 대체하기 위해 27km 길이의 슈퍼 충돌기를 만드는 데 수십억 유로를 소비했습니다. 예를 들어 표준 모델에는 암흑 물질을 구성할 수 있는 입자가 포함되지 않습니다. 우주에서 왜 물질이 반물질을 지배하는지, 애초에 빅뱅이 일어난 이유는 설명되지 않습니다. 그런 다음 힉스 보손의 질량(원자의 물리적 규모를 설정)과 플랑크 규모로 알려진 양자 중력과 관련된 훨씬 더 높은 질량-에너지 규모 사이에는 설명할 수 없을 정도로 엄청난 차이가 있습니다. 물리적 규모 사이의 틈(원자는 플랑크 규모보다 훨씬 더 큽니다)은 불안정하고 부자연스러워 보입니다. 1981년에 위대한 이론가인 에드워드 위튼(Edward Witten)은 이 "계층 구조 문제"에 대한 해결책을 생각했습니다. 즉, 힉스 보존보다 약간 더 무거운 추가 기본 입자의 존재로 균형이 회복될 것입니다. LHC의 충돌은 그들을 불러일으킬 만큼 충분히 강력했어야 했습니다.
그러나 양성자가 터널 주위를 양방향으로 돌다가 정면으로 충돌하여 주변 탐지기에 파편을 뿌렸을 때 표준 모델의 25개 입자만 관찰되었습니다. 그 외에는 아무 것도 나타나지 않았습니다.
알려진 것 이상의 입자나 힘인 "새로운 물리학"의 부재는 위기를 조장했습니다. 2012년 가을 입자물리학자 미하일 시프만(Mikhail Shifman)은 "물론 실망스럽습니다. 우리는 신이 아닙니다. 예언자도 아닙니다. 실험 데이터를 통한 안내가 없다면 자연에 대해 어떻게 추측할 수 있겠습니까?"라고 말했습니다.
계층 구조 문제에 대한 표준 추론이 잘못된 것으로 밝혀진 후에는 새로운 물리학이 어디서 발견될지 알 수 없었습니다. 그것은 쉽게 실험의 범위를 넘어설 수 있습니다. 입자물리학자 아담 팔코스키(Adam Falkowski)는 당시 나에게 더 무거운 입자를 찾을 수 있는 방법이 없다면 이 분야는 서서히 쇠퇴할 것이라고 예측했습니다. “입자물리학 분야의 일자리는 꾸준히 줄어들 것이며 입자물리학자들은 자연스럽게 사라질 것입니다.”
위기와 그 여파는 수년간 흥미로운 보도로 이어졌지만, 확실히 입자 물리학과 관련된 뉴스 기사의 빈도는 줄어들었습니다. 나는 소식통과 연락이 끊겼습니다. 13년 이상이 지난 후, Quanta Magazine의 새로운 에세이 시리즈인 Qualia의 첫 번째 칼럼입니다. , 재고를 확보하고 있습니다. Falkowski가 예측한 대로 입자 물리학이 죽어가고 있습니까? 아직도 새로운 물리학을 발견할 수 있나요? 입자 물리학자의 미래는 어떻게 되나요? 인공지능이 도움이 될까? 우주에 남아 있는 수많은 미스터리에 대한 답을 찾는 데 얼마나 많은 희망이 남아 있습니까?
일부 입자 물리학자들은 위기가 전혀 없는 것처럼 행동합니다. LHC는 여전히 운영되고 있으며 적어도 10년은 더 운영될 예정이며 운영자는 새로운 열정의 원천을 찾고 있습니다.
지난 몇 년 동안 AI를 사용하여 충돌기의 데이터 처리가 향상되었습니다. 패턴 인식기는 양성자 충돌로 인한 잔해를 분류하고 인간이 만든 알고리즘보다 더 정확하게 충돌 이벤트를 분류할 수 있습니다. 이는 물리학자들이 본질적으로 다양한 입자 상호 작용이 발생할 확률인 "산란 진폭"을 보다 정확하게 측정하는 데 도움이 됩니다. 예를 들어, AI 시스템은 충돌 후 하부 쿼크의 수와 충돌 후 발생하는 상부 쿼크의 수를 더 정확하게 결정할 수 있습니다. 표준 모델의 예측과 통계적으로 편차가 있는 경우 미지의 기본 입자가 포함되어 있음을 의미할 수 있습니다.
2012년 CERN의 컴팩트 뮤온 솔레노이드에 의해 기록된 양성자-양성자 충돌은 힉스 입자 붕괴의 증거를 보여줍니다.
CMS 협업; 맥콜리, 토마스
힉스 보손만큼 무거운 새로운 입자는 그렇게 미묘하지 않습니다. 그들은 이미 데이터 플롯에서 뚜렷한 범프로 나타났을 것입니다. 그러나 하버드 대학의 입자물리학자인 Matt Strassler가 나에게 설명했듯이 더 가볍고 새로운 입자의 흔적은 여전히 데이터의 숨겨진 계곡에 있을 수 있습니다. “그곳에는 아직 탐험되지 않은 영역이 엄청나게 많습니다.”라고 그는 말했습니다. 예를 들어, 때때로 발생했다가 즉시 과도한 수의 뮤온-반뮤온 쌍으로 붕괴되어 흔적을 남기는 불안정한 유형의 암흑 물질 입자가 존재할 수 있습니다. 이러한 과잉을 감지하면 불안정한 입자의 존재를 간접적으로 가리킬 수 있습니다. Strassler는 "모든 새로운 물리학이 높은 에너지를 갖고 있다고 생각했던 사람들은 지금 매우 실망하고 있습니다."라고 말했습니다. "나는 그런 견해에 동의하지 않습니다. 자연에는 낮은 에너지에 대한 단서를 제공할 수 있는 기회가 많이 있습니다."
하지만 지금까지 새로운 물리학에 대한 간접적인 증거는 발견되지 않았습니다. LHC의 통계가 정확할수록 표준 모델과 더 잘 일치합니다. LHC가 있는 실험실인 CERN의 입자물리학자 미켈란젤로 망가노는 오늘날의 충돌기는 표준 모델의 예측을 탐구하는 도구와 같으며 방정식의 모든 결과를 계산하기 쉽지 않기 때문에 이 탐구가 가치 있다고 생각한다고 말했습니다. 표준 모델을 뛰어넘는 새로운 물리학에 대한 연구가 진행 중이지만 "긍정적인 결과를 얻지 못한다는 사실이 우리가 정체 상태에 있거나, 죽었거나 시간을 낭비하고 있다는 의미는 아닙니다."라고 MANGANO는 말했습니다.
이러한 질문은 매우 기본적이므로 작업을 위한 도구가 있으므로 모든 진폭을 파악하고 모든 숨겨진 계곡을 확인할 가치가 있습니다. 하지만 새로운 물리학을 탐구하는 사람들에게 게임은 거기서 끝나나요?
커뮤니티는 더 커지기를 원합니다. CERN 물리학자들은 더 높은 에너지를 조사하고 더 미묘한 신호를 찾기 위해 프랑코-스위스 국경 아래 91km 터널을 통해 LHC 둘레를 3배로 늘리는 미래 원형 충돌기를 구축하려고 합니다. 이 FCC는 초기에 양성자와는 달리 하위 구조가 없는 기본 입자인 전자와 충돌합니다. 그들의 깨끗한 충돌은 산란 진폭을 보다 정확하게 측정할 수 있게 하여 FCC가 새로운 물리학의 간접적인 징후에 매우 민감하게 만듭니다. 세기 말에는 LHC가 지금처럼 거대 충돌기가 양성자와 충돌하도록 업그레이드될 것입니다. 양성자 충돌은 더 복잡하지만 FCC에서는 전례 없는 에너지(현재 LHC가 모을 수 있는 것보다 약 7배 더 높음)를 달성하므로 LHC가 도달할 수 없는 무거운 입자를 드러낼 가능성이 희박합니다. (이론적으로 입자 질량의 범위는 LHC 에너지 규모가 직접 생성할 수 있는 것보다 최대 100억 배 더 클 수 있으므로 다음 곡선에서 이를 기대할 이유가 없습니다.)
현재로서는 FCC의 운명은 알려지지 않았습니다. 회원국의 공식 승인 및 자금 지원 약속은 2028년 이전에는 이루어지지 않을 것입니다.
한편, 미국 입자 물리학자들은 새로운 유형의 기계인 뮤온 충돌기를 구축하여 유럽 전략을 보완하는 것을 목표로 하고 있습니다. 뮤온은 전자와 같은 기본적이지만 200배 더 무겁기 때문에 충돌은 깨끗하고 에너지가 넘칠 것입니다(비록 LHC의 충돌 에너지에는 도달하지 못하지만). 이 새로운 유형의 기계의 판매 포인트와 과제는 모두 뮤온이 매우 불안정하기 때문에 주요 기술 혁신(가져올 수 있는 모든 파생 잠재력 포함)이 필요하다는 것입니다. 생성된 지 몇 마이크로초 만에 가속되고 충돌해야 합니다.
기술을 시연하고 충돌기를 만드는 데는 대략 30년이 걸리며, 이는 연방 자금 지원을 받습니다. 캘리포니아 공과대학 물리학 교수이자 2025년 6월에 발표된 뮤온 충돌기 프로그램을 승인하는 국가 보고서의 공동 의장인 마리아 스피로풀루는 "100억~200억 달러 사이에서 이를 수행하는 방법을 찾아야 합니다."라고 말했습니다. 앞으로 몇 년 동안 에너지부는 경쟁 과학 프로젝트보다 제안에 자금을 지원할지 여부를 고려할 것입니다. 문제는 LHC가 힉스 보손에 대해 가졌던 '발견 보장'이 부족하다는 점이다.
과학자와 기술자들은 2018년에 시작된 Long Shutdown 2 동안 대형 강입자 충돌기의 시스템을 검사하고 업그레이드했습니다.
막시밀리앙 브라이스/CERN
그리고 수학 물리학자인 Peter Woit가 자신의 블로그에서 "아마도 모든 것이 조만장자 기술 형제들에 의해 통제되는 새로운 세계 질서에서는 자금 조달이 문제가 되지 않을 것입니다."라고 생각했습니다.
중국 슈퍼콜라이더에 대한 심의는 무산됐다고 들었습니다. 대신 중국은 수백억 달러가 아닌 수억 달러의 비용이 드는 저에너지 입자 산란 실험인 '슈퍼 타우 매력 시설'을 추구하기로 결정했습니다. 이 시설에서는 많은 타우 입자와 참 쿼크를 생산할 것이며 부분적으로 타우가 뮤온이나 전자로 형태가 변하는지 여부를 연구할 것입니다. 이러한 종류의 전환은 표준 모델에서는 예측되지 않지만 표준 모델의 일부 이론적 확장에서는 발생합니다.
좋아요, 확인해 보는 게 좋을 것 같아요. 우리는 새로운 물리학을 간절히 원하며 가격도 좋습니다. 하지만 정의상 어둠 속에서 어떤 사진을 찍을 가치가 있는지 아는 것은 매우 어렵습니다.
2012년에 입자 물리학의 종말을 고한 Adam Falkowski는 자신의 블로그 Résonaances에 날카로운 논평을 제공한 것으로 유명했습니다. 하지만 파리에 기반을 둔 입자 물리학자인 이 입자 물리학자는 2022년 이후로 아무 것도 게시하지 않았습니다. 그는 부분적으로는 아버지 역할에 묶여 있기 때문이고 부분적으로는 할 말이 많지 않았기 때문이라고 말했습니다.
우리가 화상 통화를 했을 때 Falkowski는 "나는 미래의 충돌체에 대해 매우 회의적입니다. 나에게는 그것에 대해 흥분하는 것이 매우 어렵습니다."라고 말했습니다. 그는 CERN의 FCC 캠페인 뒤에 추진력이 있다고 생각하지만, 개인적으로는 막대한 비용과 기간, 그리고 "다음 충돌체가 도달할 수 있는 범위 내에 무언가가 있다는 힌트가 전혀 없다"는 사실에 대해 걱정하고 있습니다.
Falkowski는 산란 진폭에 대한 이론적 연구로 전환했습니다. 이는 입자 상호 작용 통계의 기초가 되는 기하학적 패턴, 즉 양자 세계에 대한 보다 진정한 관점을 가리킬 수 있는 패턴에 초점을 맞춘 연구 분야가 성장하고 있는 분야입니다. 이 분야에서는 이 언어가 양자 중력까지 확장될 수 있기를 희망하면서 다른 수학적 언어로 입자 물리학의 방정식을 다시 공식화하려고 합니다. Falkowski는 “물리 이론의 구조를 이해하려는 매우 활발한 프로그램이 있습니다.”라고 말했습니다. "머신러닝의 도움으로 앞으로 몇 년간 매우 빠른 발전이 있을 수 있기를 바랍니다. 바로 이때 최고의 일이 일어났다고 생각합니다."
하지만 이 분야로 알려진 진폭학은 추상적입니다. 원자를 깨뜨리는 실험이 아닙니다. Falkowski는 실험적인 입자 물리학이 죽어가고 있다고 생각한다고 말했습니다. 그는 재능 있는 박사후 연구원이 다른 연구 분야로 전환하거나 데이터 과학 분야에 취업하는 것을 지켜보았습니다. "그들이 예전처럼 최고 중의 최고를 얻고 있는지 잘 모르겠습니다. 왜냐하면 수익의 전망이 너무 멀기 때문입니다. 지금 세상을 바꾸고 싶다면 AI를 할 것이고, 입자물리학과는 다른 것을 할 것입니다."
대형 강입자 충돌기의 ALICE(대형 이온 충돌기 실험) 검출기는 쿼크-글루온 플라즈마를 연구하기 위해 설계되었습니다.
CERN, Julien Marius Ordan/과학 출처
이 두뇌 유출은 실제적인 것으로 보입니다. 나는 챗봇 Claude를 만든 회사인 Anthropic의 공동 창업자인 Jared Kaplan과 이야기를 나눴습니다. 우리가 마지막으로 이야기했을 때 그는 물리학자였습니다. 2000년대 하버드 대학원생이었던 그는 유명한 이론가인 니마 아르카니-하메드(Nima Arkani-Hamed)와 함께 오늘날 활발히 추진되고 있는 진폭 연구의 새로운 방향을 개척했습니다. 그러나 Kaplan은 2019년에 현장을 떠났습니다. “AI가 역사적으로 과학의 거의 모든 분야보다 빠르게 발전할 것이라는 그럴듯해 보였기 때문에 AI 작업을 시작했습니다.”라고 그는 말했습니다. AI는 "우리가 살아있는 동안 일어날 수 있는 가장 중요한 일, 어쩌면 과학 역사상 일어날 수 있는 가장 중요한 일 중 하나일 것입니다. 그래서 제가 그것에 대해 연구해야 한다는 것이 당연해 보였습니다."
입자 물리학의 미래에 관해 Kaplan의 견해에 따르면 AI는 이제 이에 대한 걱정을 무의미하게 만듭니다. "10년 안에 충돌기를 만들면 AI가 충돌기를 만들 것이기 때문에 10년이라는 시간 단위로 계획하는 것과는 다소 무관하다고 생각합니다. 인간은 충돌기를 만들지 않을 것입니다. 2~3년 안에 이론 물리학자가 대부분 AI로 대체될 확률은 50% 정도입니다. Nima Arkani-Hamed 또는 Ed Witten과 같은 뛰어난 사람들, AI는 자신이 만든 것만큼 좋은 논문을 생성할 것입니다. 논문 작성은 자율적으로 이루어집니다. 따라서 이 몇 년 간의 계획을 세우는 것은 별로 생각하지 않는 일입니다.”
CERN 이론 그룹의 박사후 연구원인 Cari Cesarotti는 그러한 미래에 대해 회의적입니다. 그녀는 챗봇의 실수와 그것이 물리학을 전공하는 학생들에게 너무 큰 버팀목이 되었다는 점을 알아차렸습니다. “AI는 사람들의 물리학 능력을 더욱 저하시키고 있습니다.”라고 그녀는 말했습니다. “우리에게 필요한 것은 인간이 교과서를 읽고 앉아서 계층 문제에 대한 새로운 해결책을 생각하는 것입니다.”
Cesarotti는 Higgs boson이 발견되었을 때 고등학생이었습니다. 그녀는 LHC 이전에 세계 최고 에너지 입자 충돌기였던 Tevatron이 있는 미국 일리노이 국립 연구소인 Fermilab 근처에서 자랐습니다. (톱 쿼크는 1995년 그곳에서 발견되었습니다.) 이러한 근접성은 그녀에게 입자 물리학자가 될 수 있다는 것을 가르쳐주었습니다. 나중에 그녀인 것으로 밝혀졌습니다. 것. "우주의 기본 구성 요소는 무엇입니까? 이것이 제가 답을 알고 싶은 가장 관심이 있는 질문이었습니다."라고 그녀는 말했습니다. "하지만 사람들은 '입자물리학은 죽었으니 이러지 마세요'라고 하더군요."
그것은 공정한 경고였을 수도 있습니다. Cesarotti는 아직 떠오르는 입자 물리학자로서 정규직을 얻지 못했습니다. 그녀와 다른 사람들은 교수 채용 위원회와 대학원생들이 다른 방향으로 나아가면서 하위 분야가 계속해서 줄어들고 있다고 말했습니다. “아무 것도 찾을 수 없으니 포기해야 한다는 이 모든 수사는 확실히 사람들이 귀를 기울였습니다.”라고 그녀는 말했습니다. "물론 이는 인력이 적다는 것을 의미합니다. 이는 자기실현적인 예언이 됩니다. 이러한 문제를 해결하려는 노력에서 재능 있는 사람들을 모두 영향력을 미치기 쉬운 분야로 밀어낸다면 실패할 가능성이 높습니다."
Cesarotti는 내가 다른 사람들에게서 들은 감정을 반영했는데, 그것은 나에게도 옳은 것처럼 들립니다:"입자 물리학은 죽은 것이 아닙니다. 단지 어려울 뿐입니다." 무엇을 생각하고 찾아야 할지 알기가 어렵습니다. 그러나 가장 헌신적인 입자물리학자들은 생각과 모습이 모두 똑같습니다.
Strassler는 "125년 동안은 쉬웠습니다."라고 말했습니다. "한 가지 일이 다음 세기로 이어졌습니다. 지금으로서는 그 행운의 세기가 적어도 중기적으로는 끝났습니다. 내일이나 다음 세기가 바뀔 수도 있고, 누가 알겠습니까?"
이론적으로 새로운 경량 입자의 힌트는 LHC나 다른 실험에서 나타날 수 있습니다. Strassler는 특히 기본 상수의 변화를 밝힐 수 있는 방사성 토륨-229 붕괴 연구에 흥미를 갖고 있습니다. 저는 너무 가벼워서 빛 자체처럼 행동할 수 있는 암흑 물질 후보인 "액시온"을 찾는 실험에 약간 편파적입니다.
이론적인 측면에서 계층 구조 문제에 대한 확실한 해결책은 산란 진폭 뒤에 있는 형상에서 자연스럽게 벗어날 수 있습니다. 또는 Kaplan이 옳다면 언젠가 AI 시스템이 표준 모델의 25개 입자가 어떻게 보다 포괄적인 패턴에 들어맞는지에 대한 강력하고 새로운 아이디어를 제안할 수도 있습니다. 이는 위기가 시작되었을 때 제가 예상하지 못했던 가능성입니다.
분명히 진실을 향한 더 많은 진전은 입자물리학에서 여전히 가능합니다. 하지만 발견이 보장되지는 않습니다. 나는 그것에 대해 생각해 본 지 13년이 넘었지만 여전히 불안한 전망으로 남아 있습니다. 자연의 기본 법칙과 구성 요소에 대해 우리가 수집할 수 있는 모든 경험적 단서는 이미 손에 들어 있을 수도 있습니다. 우주는 나머지 비밀을 지킬 계획을 세울 수도 있습니다.
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