리사 랜들의 ＜천국의 문을 두드리며＞2부(5장~7장)

[손수]

2부 물질의 스케일
(이 책을 summary 하기에 앞서 2016년도 판이라 과학의 가설이 불변의 확정 학문이 아니기 때문에 10년이 지난 지금 어떤 유동성이 있을지 의문을 갖으면서 작업을 했다.)

5장 마술적인 수수께끼의 여행
고대 그리스의 철학자 데모크리토스가 2500년 전 원자의 존재를 가정했다. 그 누구도 물질의 진정한 근본적인 구성 요소가 무엇인지 몰랐을 때였다. 일단 지난 세기 과학자들이 원자 스케일을 조사할 수 있는 기술을 가지게 되자 그들은 예상하지 못한 새로운 내부 구조를 물질 속에서 발견하게 되었다. 우리가 물질이라고 인식하는 것을 형성하고 있는 기본 구성 요소들은 우리가 감각을 통해서 즉시 접촉하는 것들과는 크게 다르다. 그 구성요소들은 물리법칙에 따라 움직인다. 스케일이 작아짐에 따라 물질은 다른 우주에 속한 것처럼 전혀 다른 성질의 지배를 받는 것처럼 보인다. 이번 5장에서는 물질 안쪽으로 시선을 돌려 크기와 스케일에 따라 그 안에서 일어나는 일을 기술하는 이론이 달라진다는 것을 인지하고 그 안에 무엇이 존재하는지 알 필요가 있다.

-우주의 스케일
우리의 탐구여행은 우리가 매일 보고 만지는 인간의 크기 스케일에서 시작한다. 대략 1미터. 1m라는 스케일은 사람이 막대기를 편한하게 손으로 양쪽 끝을 잡고 들 수 있는 길이이다. 이 스케일의 물체들은 우리가 일상적으로 늘 보는 것들이기 때문에 거기에 적용되는 물리 법칙도 잘 안다. 우리의 직관은 미터단위로 정의할 수 있는 크기의 사물이나 사람이나 동물을 보면서 살아온 경험에 기반을 두고 있다.
1687년에 씌어진 뉴턴의 운동 법칙은 일정한 질량의 물체에 힘을 가할 때 무슨 일이 일어나는지를 예측한다. 물체에 힘이 가해지지 않으면 그 물체는 같은 속도로 운동하게 되고, 힘은 물체를 그 질량에 따라 가속시키게 되며, 작용은 세기가 같고 방향이 반대인 반작용을 일으킨다고 이야기 해준다

-내부 세계로의 여행
물질 속으로 더 깊숙이 들어가야만 새로운 물리적 기본 구성요소와 새로운 물리 법칙을 만날 수 있다. 인간의 크기 1미터와 원자의 크기 스케일 사이에도 수많은 것들이 존재한다. 우리가 일상에서 마주치는 물체들은 물론 생명체를 이루는 수많은 물체들 역시 더 작은 계들을 이해해야만 알 수 있는 중요한 특징들을 가지고 있다. 그리고 그 계들은 완전히 다른 하무구조와 작동 원리를 가지고 있다.
우리에게 익숙한 많은 물체들은 세부적으로 특별한 사항이나 내부 구조 없이 단일한 기본 단위를 많이 더해 조립할 것들이다. 이러한 시랑계(extensive system)는 벽돌로 쌓은 벽처럼 확장된다. 하지만 기본적인 기능 단위는 늘 같다. 예를 들어 대규모 조직이나 똑같은 트랜지스터를 대량으로 집적해 만든 컴퓨터 메모리칩 같은 것이 여기 속한다. 이런 확대 형태는 기본 구성요소가 아니라 기본 구성요소들의 연결이 계의 작동 방식을 결정할 때 나타난다. 예를 들면 수많은 시냅스가 연결되어 있는 신경계나 상호 작용하는 수많은 단백질로 이루어진 세포나 수많은 별개의 컴퓨터로 이루어진 인터넷들이 모두 그런 계의 사례가 된다.
그러나 입자 물리학은 여러 가지 기능 단위로 이루어진 복잡한 계를 다루는 학문이 아니다. 입자 물리학은 근본적인 구성 요소와 그들을 지배하는 물리 법칙을 이해하는 것에 초점을 맞춘다. 이런 구성요소들은 상호 작용에 의하여 발생하는 복잡한 물리적 행동과 관련이 있다. 이 모든 것들 조차도 각가 내부 구조를 가지고 있다. 이 구조들도 스케일이 작아지면 구성 요소는 변한다. 그리고 이 구성요소들이 따르는 규칙을 가장 잘 기술하는 방법 또한 변한다.
생리학 연구의 역사는 여러 가지 점에서 물리 법칙 연구의 역사와 비슷하다.
우리 자신과 인체 내부의 작동 원리가 가진 여러 측면들이 어떤 과정을 걸쳐 해명되었는지 살펴보자
쇄골: 해부학적 연구가 이루어진 다음에 그 기능이 이해되기 시작한 흥미로운 사례이다.
영어로 ‘collarbone’은 겉옷의 깃처럼 생겼기 때문이다. 과학자들은 이 뼈가 열쇠 모양임을 알아냈고 열쇠라는 뜻을 가지 라틴어 clavicula에서 파생된 ‘clavicle’이라는 또 다른 이름을 붙였다.

모세 혈관 구조- 혈액순환과 동맥과 정맥을 연결하는 모세혈관은 17세기 처 윌리엄 하비가 돌물과 인간의 심장과 혈액 연결망을 세밀하게 분석하는 실험을 하기 전까지는 누구도 그 기작을 이해하지 못했다. 그는 피를 실어 나르는 동맥과 정맥의 네트워크 거기서 작은 가지처럼 뻗어 나오는 보다 작은 스케일에서 작동아흔 모세 혈관의 작동 과정을 발견했다. 혈액은 세포에서 세포로 왔다 갔다 하면서 전달된다. 이것은 실제로 고비 전까지는 누구도 예상하지 못했던 방식이었다. 하비는 완전히 새로운 계 전체를 발견한 것이다.
그러나 물리적 발견은 도구 즉 현미경을 사용한 사람들에 의해서 그림으로 도식화 된다. 사람의 순환계에는 적혈구라는 세포가 포함되어 있다. 적혈구의 길이는 겨우 7마이크로미터로서 1미터 막대기의 대략 10만분의 1크기이다. 이것은 신용카드 두께의 100분의 1이다. 맨눈으로 볼 수 있는 크기의 약 10분의 1이다. 우리의 탐구 대상 스케일이 작아지면 작아질수록 전적으로 새로운 구성 요소와 계가 계속해서 발견되었다. 이로써 유전정보를 담고 있는 생명체의 기본 요소인 DNA가 발견되었다. DNA크기는 원자보다 1000배 크다. 이 스케일에서는 분자 물리학, 즉 화학이 중요한 역할을 한다. DNA내에서 일어나는 분자 과정은 지구 생명체가 가진 엄청난 생물 다양성을 이루는 기초가 된다. DNA 분자는 수백만 개의 뉴클레오티드를 포함하고 있다. 그래서 양자역학적인 원자 간 결합이 중요한 역할을 한다. 인간의 DNA의 길이는 차곡차곡 접힌 분자구조를 가지고 있어서 그 전체 길이가 수 미터에 이른다. 그러나 DNA 가닥의 폭은 1마이크로미터의 2000분의 1. 즉 2나노미터에 불과하다. 이것은 현재 가장 작은 마이크로프로세서의 트랜지스터게이트의 길이 약 30나노미터보다 작다. 뉴클레오티드 하나의 크기는 0.33 나노미터로서 물 분자만 하다. 유전자 1개는 뉴클레오티드 1000개에서 10만 개의 길이와 비슷하다.
생물학은 커다란 스케일의 구조가 작은 스케일의 구성 단위로 이루어져 있다는 점에서 물리학과 닮았지만 생물학적 계의 기능과 작동원리는 예측하기 어려운 메커니즘이 발생하고 있어서 생명의 원인과 기원이라는 창발 과학적 과제가 여전히 남아 있다.

-원자 스케일
생물학을 떠나 물질의 더 작은 스케일로 내려가 보면 1미터의 100억분의 1에 해당하는 100피코미터의 원자 스케일이다. 원자의 정확한 크기를 정하는 것은 어려운데 그것은 정적인 존재가 아니라 원자핵과 그 주위를 돌고 있는 전자로 이루어져 있기 때문이다. 일반적으로 원자핵에서 전자까지의 평규 거리를 구해 원자의 크기로 삼는다. 우리의 시각은 전자기파인 빛을 이용해서 볼 수 있는 현상에 한정된다. 이 가시광선에 해당하는 빛의 파동은 파장이 380나노미터에서 750나노미터까지이다. 이것은 원자의 크기인 약 10나노미터에 비해 훨씬 크다 원자 내부를 가시광선으로 조사해 눈으로 직접 보려고 한다는 것은 불가능하다. 그러나 어떤 현상을 본다는 것이 불가능하다고 실재하지 않는다고 단정할 수 없다 그 스케일에서 생겨나는 물리적 구성요소나 물리과정으로 추론할 수는 있다. 원자의 중심에 있는 원자핵의 크기는 전자궤도의 1만분의 1 정도 밖에 안된다. 평균적으로 원자핵의 크기는 10‐¹⁴ 미터 정도인데 물리학자들이 주로 쓰는 단위로 말하자면 10펨토미터이다. 수소의 원자핵은 그것보다 10분의 1쯤 작다. 원자와 원자핵의 크기를 비교하자면 태양계 전체와 태양의 크기 차이를 연상하는 게 적절하다. 원자는 대부분 비어 있다. 원자핵의 부피는 원자 부피의 1조분의 1에 불과하다. 원자안의 물질이 비어있고 뉴턴 역학의 전제로써는 이 짧은 거리에서는 성립하지 않으며 양자 역학의 물질의 파동성과 불확정성 원리를 이해하여야 한다. 전자는 명확한 궤도를 따라 운동하지 않기 때문에 운동량을 정할 수 없다. 따라서 전자의 궤도는 확률 분포로로부터 공간상의 특정 위치에서 전자가 발견될 가능성이 얼마나 되는지 알 수 있을 뿐이다. 또 다른 성질은 원자 속의 전자가 양자화된 에너지 값만을 가질 수 있다는 사실이다. 전자의 궤도는 잔자의 에너지에 따라 결정되고 이 특정한 에너지 준위와 전자가 그 에너지를 가질 확률은 양자 역학의 규칙에 따른다.
1912년 닐스 보어는 고전적인 물리학을 포기할 것이냐 관측된 사실에 대한 자신의 확신을 포기할 것이냐의 기로에 직면했지만 고전적인 물리 법칙은 원자 안의 전자가 움직이는 짧은 거리에서는 적용되지 않는다고 가정했다. 이것이 양자 물리학의 발전을 이끌어 내었다. 거시적인 물체들은 사람들이 그 예측의 참과 거짓을 측정할 수 있는 범위 안에서 뉴턴의 법칙을 따른다 뉴턴의 법칙은 틀린데 아니다. 그러나 원자 스케일에서 뉴턴의 법칙은 실패했다. 기묘한 관측 결과를 설명하는데 실패 한 것이다. 결국 뉴턴 역학이 실패한 지점에서 양자 역학이라는 새로운 규칙과 그것을 만들어 낸 주목할 만하고 눈부신 형식이 나왔다.

-핵물리학
스케일의 계단을 더 내려가니 원자핵에 도달했다. 양자역학의 패러다임은 기본적으로 그대로 적용된다.
원자핵의 크기는 10만분의 1 나노미터에 해당하는 약 10펨토미터이다. 원자핵은 기본 입자가 아니다 원자핵은 핵자라는 더 작은 요소로 이루어져 있다. 핵자는 양성자와 중성자를 아울러 일컫는 말이다. 양성자는 양전기를 띠고 있고 중성자는 양전기나 음전기도 띠지 않는 중성 입자이다. 핵자 속에 존재하는 이른바 쿼크는 업쿼크 다운쿼크로 나누는데 이것이야말로 더 작은 크기의 더 기본적인 물질이고 강한 핵력이라는 힘이 이 쿼크들을 한데 묶어서 양성자와 중성자를 만든다. 강한 핵력이라고 하면 강한 힘을 뜻하는 것처럼 들리지만 이 단어는 전자기력, 중력, 그리고 약한 핵력처럼 자연의 특정한 힘을 나타내는 고유명사이다.
양성자 안에서 쿼크는 자유로이 돌아다닌다. 그러나 쿼크 하나를 일정 거리 이상으로 떼어내기는 어렵다. 강한 핵력의 성질 때문이다. 양성자에는 3개의 쿼트가 강한 핵력으로 안정적으로 묶여 있다. 강한 상호작용 때문에 3개의 가벼운 쿼크는 양성자나 중성자 같은 하나의 물체처럼 행동하게 된다. 그리고 이 안에서 새로운 가상 입자가 순간적으로 생겨나기도 한다 가상입자란 양자 역학의 불확정성 원리에 따라 그 존재가 헝용되는 입자로서 계속 남아 있지 않고 주어진 시간 동안에만 존재했다가 사라지는 입자이다. 강한 핵력은 공 2개를 묶어 놓은 고무줄처럼 그 자체로 에너지를 가지고 있는데 이 결합을 깨뜨리면 축적된 에너지가 빠져나가면서 새로운 입자가 만들어진다. 전하가 0이 아닌 쿼크가 만들어질 때에는 언제나 그 쿼크와 질량이 같고 전하가 반대인 반쿼크가 동시에 말들어져야 한다. 쿼크 반쿼크 쌍은 생성되기도 하고 소멸 되기도 한다. 이때 입자 쌍 전체의 전하는 0이므로 쌍생성과 쌍소멸이 아무리 많이 일어나도 양성자 속의 전하는 변하지 않는다. 가상입자로 이루어진 양성자 바다에는 글루온 역시 존재한다. 글루온은 강한 핵력을 전달하는 입자이다. 글루온은 전기를 띤 입자들 사이에서 전자기력이 작용할 때 주고받는 입자인 광자처럼 힘을 전달하는 입자이다. 글루온은 비슷한 방식으로 작용하며 강한 핵력을 전달한다. 강한 핵력이 작용하는 전하를 가진 입자들은 글루온을 주고받으며, 주고받는 글루온을 통해 쿼크를 서로 잡아당기거나 밀어낸다. 저기를 띠지 않아서 전자기력을 스스로는 느끼지 못하는 광자와는 달리 글루온은 그 자체가 강한 핵력의 영향을 받는다 –그래서 우리는 텔레비전을 볼 수 있고 멀리서 보낸 신호를 받을 수 있다. 글루온은 쿼크처럼 멀리 떨어져서 상호 작용하지 못한다. 글루온은 양성자 크기의 작은 스케일 안에서만 물체들을 서로 묶어 놓는다.
LHC는 이제 양성자의 질량과 관련된 스케일 보다 1000배나 더 높은 에너지 스케일을 그러니까 1000분의 1만큼 짧은 거리를 탐구하고 있다. LHC는 극히 높은 에너지로 가속된 두 양성자 빔을 충돌시켜서 이전에 지구상에서 얻어진 그 어떤 에너지보다도 폴은 에너지를 얻는 획기적인 이정표를 세웠다. LHC의 양성자 빔은 수천억 개의 양성자로 이루어진 뭉치 수천 개가 줄지어서 늘어서 있는 것이다. 이 입자 빔이 LHC의 지하 터널을 순환하고 있다. 이 터널을 따라 1232개의 초전도 자석이 설치되어 있고 이 자석들이 전기장에 의해 고에너지로 가속된 양성자들이 빔 파이프에서 튕겨 나가지 않고 원형 궤도를 돌 수 있도록 하고 있다. 그리고 다른 자석들이 두 양성자 빔을 조종해 서로 정면충돌하도록 한다. LHC의 에너지에서는 가상 입자도 양성자 에너지 가운데 상당부분을 차지한다. 이 LHC에서는 양성자의 전하를 담당하는 세 쿼크와 함게 가상 입자의 바다 역시 충돌한다. 이 때 입자의수와 형태가 변할 수 있다. 이것을 입자 물리학의 핵심이라고 할 수도 있다.

- 기술적 한계 너머의 물리학
다음 스케일에서는 바로 힘들의 통일과 관계가 있다고 여겨지고 있다. 짧은 거리에서 힘이 동일될지도 모른다는 것이다. 우주에 존재하는 하나가 아님을 알았을 때부터 물리학자들은 진지하게 그런 통일 이론을 찾아 왔다. 하우드 조자이와 셸던 글래쇼가 1974년 제안한 이론은 낮은 에너지에서는 중력을 제외한 세기가 각각 다른 세 종류의 힘이 관측되지만 아주 높은 에너지에서는 하나의 세기를 가지는 오직 하나의 힘만이 존재할 것이라고 한다. 하나의 힘은 세 힘을 모두 포함하고 있으므로 통일된 힘 즉 대통일 이론이라고 부른다
그 간접적인 효과를 확인할 수 잇을지도 모르는 현상이 양성자 붕괴이다. 양성자도 필연적으로 붕쾨한다는 것이 조자이와 글래쇼의 이론이다. 어떤 물리적 현상의 성질이 이 정도로 구체적으로 이야기된다면 물리학자들은 그런 현상이 일어날 비율을 계산할 수 있다. 통일 이론에 대한 연구는 우리가 어떻게 직접 관찰 가능한 스케일 너머까지 인간의 지식을 확장해 가는지를 잘 보여 주는 좋은 사례이다.
우리의 이론적인 여행이 그다음으로 머물 곳은 ‘플랑크 길이’라고 블리는 10‐³³센티미터의 거리 스케일이다. 이것이 얼마나 작은지 알려면 양성자가 로드아일랜드 섬만큼 커졌다고 상상해 보면 된다. (로드아일랜드 섬의 폭은 60킬로미터 정도 된다. ) 그 양성자 안의 플랑크 길이는 실제 양성자의 크기와 비슷해진다. 플랑크 길이를 실험적으로 탐구할 수 없는 것은 우리의 상상력, 기술, 자금의 함계 때문만은 아니다. 플랑크 길이보다 더 짧은 거리에 접근하는 것을 물리 법칙 자체가 막고 있을지도 모른다. 양자역학에 따르면 작은 세계를 탐구하려면 보다 높은 에너지가 필요하다. 그러나 작은 공간에 너무 많은 에너지가 집중되면 물질은 붕괴되어서 블랙홀이 된다. 여기서는 중력이 지배자가 된다. 일단 블랙홀이 생기고 나면 에너지를 아무리 쏟아 붓더라도 블랙홀이 커질 뿐이다 작아지지 않는다 결국 우리가 익숙하게 봐 온 양자 역학이 중요한 역할으 f하지 않는 거시적 스케일에서 본 현상들만 일어나게 된다. 다시 말해서 클랑크 길이보다 작은 길이를 탐구하는 방법은 절대로 알 수 없다는 것이다. 공간에 대한 개념들 역시 이렇게 작은 크기에서는 쓸모없어지고 만다.
시공간이 깨지는 것 말고도 우리의 방정식은 플랑크 길이가 가진 중요한 성질을 가르쳐 준다. 그것은 이 거리에서 중력이 아주 강해진다는 것이다. 기본 입자들 사이의 중력은 우리가 측정할 수 잇는 스케일에서는 아주 약하지만 이 플랑크 길이에서는 아주 강해져 우리가 아는 다른 힘들과 비슷해진다. 플랑크 길이에서 아인슈타인의 상대성 이론에 따른 표준적인 중력 방정식은 더 이상 적용되지 못할 것이다. 이 작은 세계에서 양자 역학과 상대성 이론은 일반적으로 조홛죄지 않고 모순된 결가를 낸다. 일반 상대성 이론은 연속되고 매끈한 공간에 대한 고전적인 기하학에 기반을 두고 있다. 플랑크 길이에서는 양자 요동이 시공간 거품을 만들어내 우리가 통상적으로 사용하는 중력 이론 방정식을 적용할 수 없게 만들어 버린다. 우리는 가장 짧은 거리에서 측정을 할 수 없을 수 있다. 그러나 이론적 성찰을 발전시켜 나가다 보면 중력과 공간과 시간에 대한 어떤 근본적인 이론을 발견하게 될지도 모른다.

6장
에너지가 그리 높지 않았던 과거의 충돌기에서는 흥미로운 충돌 사건을 만들어 내기 위해 반양성자를 만들어 내는 것이 그만한 값어치가 있었지만 LHC의 에너지에서는 꼭 그렇기 않다.
LHC가 실현해 내는 높은 에너지에서는 양성자가 가진 에너지으 상당부분을 숨은 쿼크와 숨은 반쿼크 숨은 글루온이 담당하기 때문이다. LHC의 물리학자들과 기술자들은 양성자와 반양성자 빔이 아니라 두 양성자 빔이 서로 충돌하도록 설계하는 편을 택했다. 그렇게 함으로써 높은 광도를 낼 수 있게 되었다. 즉 더 많은회수의 충돌을 얻을 수 있게 되었다 이것이 도달하기에 더 쉬운 목표혔다. 양성자 빔을 만드는 것은 반양성자 빔을 만드는 것보다 엄청나게 쉬운 일이기 때문이다.
그래서 LHC는 양성자-반양성자 충돌기가 아니라 양성자 – 양성자 충돌기인 것이다. 여기서 엄청난 수의 충돌을 일으킴으로써 양성자와 양성자를 충돌시키기는 훨씬 쉽기 때문에 이것이 가능한 것이다. ㅡ LHC는 강력한 능력을 가지게 되었다.

7장 우주의 끝.
LHC는 지금 그동안 연구된 적이 없던 가장 짧은 거리를 조사하고 있다 또한 위성과 망원경을 통해 우주를 관측하는 사람들은 지금 가장 큰 스케일을 탐구하고 있다. 그들은 우주가 가속 팽창하는 비율을 연구하고 있으며 대폭발 시절부터 남아 있는 우주 마이크로파 배경복사의 세부 사항들을 해명하기 위해 관측을 수행하고 있다. 그래서 이번 7장에서는 저 지평선 끝에 무엇이 걸려 있는지 이제 막 보이기 시작한 것들에 어떤 것이 있는지 살펴볼까 한다.

- LHC로 표준 모형을 넘어설 수 있을까?
입자 물리학의 표준 모형은 우리를 구성하고 있는 가벼운 입자들에 대해 우리가 어떤 것을 예측할 수 있는지 가르쳐 준다. 그리고 같은 방식으로 더 무거운 입자들에 대해서도 설명한다. 이런 무거운 입자들도 우리 몸이나 태양계를 이루는 입자들인 가벼운 입자나 원자핵과 똑같은 힘으로 상호 작용한다. 랩톤이라고 불리는 입자들이 중성미자라고 불리는 전기적으로 중성인 입자와 짝을 이룬다는 것을 안다. 중성미자는 약한 핵력이라는 밋밋한 이름의 상호 작용만을 한다. 약한 핵력은 중성자가 양성자로 변환되는 방사성 베타 붕괴와 태양에서 일어나는 핵반응의 일부를 일으키는 힘디다. 양성자와 중성자 내부에 들어 있는 쿼크
이 쿼크는 약한 핵력과 전자기력을 모두 느끼며 가벼운 쿼크를 양성자와 중성자 안에 묶어 놓는 힘인 강한 핵력도 느낀다. 쿼크와 랩톤 그리고 강한 핵력, 약한 핵력 전자기력은 표준 모형을 이루는 핵심 구성요소이다. 이 구성 요소들을 가지고 물리학자들은 오늘날까지 모든 입자 물리학의 실험결과를 성공적으로 예측할 수 있었다. 특히 중요한 것은 중력을 이 모형에 어떻게 꿰맞추어 넣는가 하는 문제이다. 양자중력에 관련된 문제에 확실히 답하기에는 너무 낮다. 양자중력의 문제를 해결하기 위해서는 양자 역학적인 효과와 중력의 효과가 모두 나타나는 극히 작은 길이를 연구해야 한다.
기본 입자의 질량이 생겨나는 메커니즘은 LHC가 해결하려는 문제인데 아인슈타인의 주요한 통찰 중 하나는 입자의 질량값은 그 입자가 멈춰 있을 때 얼마만큼의 에너지를 가지고 있는지를 말해 준다는 것이었다. 그러나 입자의 질량이 항상 0이 아닌 값을 가지는 것은 아니다. 빛처럼 질량이 0인 입자가 있다. 그런데 이런입자는 결코 정지하지 못한다.
입자 물리학자들은 초기 우주에서 아주 극적인 사건이 일어나 질량이 생겼다고 믿는다. 이것을 모통 힉스 메커니즘이라고 부른다. 이는 질량이 생겨나는 방법을 처음 에안한 사람중 하나인 스코틀랜드 출신의 물리학자 피터 웨어 힉스의 이름을 딴 것이다. 액체인 물이 기체인 수증기로 변하는 것과 같은 어떤 상전이 현상이 일어나서 우주의 성질이 실제로 변했음을 말해 준다. 처음에 입자들은 질량을 갖지 않고 빛의 속도로 팽팽 날아다녔는데 나중에 소위 힉스 장과 관련된 상전이가 일어난 뒤에는 입자들이 질량을 가지게 되었고 천천히 움직이게 되었다.
물질의 가장 기본적인 구성요소와 그 상호 작용을 기술하는 입자 물리학의 표준 모형은 훌륭하게 작동한다. 표준 모형의 예측은 높은 수준의 정밀도로 수없이 확인되었다. 이 힉스 입자는 표준 모형이라는 퍼즐의 마지막 남은 조각이다.
LHC가 해결해야 할 또 다른 수수께끼는 입자 물리학의 계층성 문제이다. 이는 그 질량이 왜 그 값인지를 묻는다. 입자 물리학자들은 질량이 우주 전체에 퍼져 있는 힉스 장을 통해 생긴다고 믿으며 또한 질량이 없는 입자가 질량을 가지게 되는 그 어떤 변화가 일어나는 에너지를 안다고 확신하고 있다. 힉스 메커니틈이 약한 핵력의 세기와 질량이 생기는 에너지에 따라 결정되는 방식으로 입자에 질량을 부여하기 때문이다.

-암흑 물질
입자 물리학의 문제들 말고도 lhc는 우주에 존재하는 암흑물질의 본질을 설명하는 데에도 도움을 줄 것이다. 암흑물질은 중력의 영향은 받지만 빛을 흡수하지도 방출하지도 않는 물질이다. 구리가 보는 모든 것들, 지구, 의자 잉꼬새들은 빛과 상호 작용하는 표준 모형의 입자로 이루어져 있다. 그러나 빛과 상호작용하거나 우리가 알고 있는 상호작용을 하는 물질은 우주 에너지 밀도의 4퍼센트 정도에 불과하다. 우주 에너지의 약 23퍼센트는 그 정체가 밝혀지지 않능 암흑물질이 가지고 있다.
암흑물질도 분명 물질이다. 중력의 영향으로 서로 뭉치며 그에 따라 우주의 구조에 예를 들면 은하 등에 형향을 미친다. 그러나 우리를 이루는 물질이나 하늘의 별들처럼 우리에게 익숙한 물질과는 달리 빛을 발하거나 흡수하지 않는다. 우리는 일반적으로 물질이 방출하거나 흡수하는 빛을 통해서 사물을 보기 때문에 암흑 물질을 보기는 어렵다. 실상 암흑 물질은 투명하다. 그 중력 때문에 암흑물질이 존재한다는 것을 안다. 하지만 직접 보지 못하기 때문에 그 정체를 알지 못하고 있다. 놀랍게도 LHC는 암흑물질일지도 모르는 입자를 만들어 낼 수 있는 바로 그 에너지를 구현해 내기 때문이다. 핵심적인 기준은 우주에 존재하는 암흑물질의 양이 지금 관측되는 중력 효과를 얻을 만큼과 딱 맞아야 한다는 것이다. 즉 우주론 모형에 따라 오늘날까지 남아 있을 것으로 추정되는 우주의 축적 에너지 양인 잔존 밀도가 측정된 값과 일치해야 한다. 놀라운 사실은 질량이 약한 핵력의 에너지 스케일에 해당하고 상호 작용도 그 정도의 에너지를 가진 입자와 하는 안정된 상태의 입자가 존재한다고 가정하면 잔존 밀도의 값이 그것을 암흑 물질이가고 하기에 절절한 값이 된다는 것이다. 암흑 물질 연구는 입자 물리학과 우주론이 겹쳐지는 현대 과학의 최전선에 해당한다. 암흑물질과 보통 물질의 상호 작용은 지극히 약하기 때문에 중력의 효과 말고는 암흑 물질에 대한 어떤 증거도 아직 찾지 못하고 있다.

-암흑 에너지
보통의 동상적인 물질과 암흑 물질만으로는 여전히 우주 전체의 에너지를 설명하지 못한다. 합쳐서 겨우 27퍼센트 정도를 구성할 뿐이다. 신빈한 것은 나머지 73퍼센트를 구성하는 암흑 에너지이다.
급팽창 가설을 포함한 대포갈 이론은 대폭발 시기부터 지금까지 잔존하며 하늘전체에서 날아오는 우주 마이크로파 배결 복사를 관측한 결과는 물론이고 다른 여러 관측 결과들과도 잘 맞아 떨어졌다. 원래 우주는 무척 뜨겁고 밀도가 지극히 높은 불덩어리였다. 그러나 약 137억년에 걸쳐서 점차 희박해지고 충분히 식어서 오늘날에는 절대 온도로 겨우 2.7 캘빈(섭씨 -270.45도)밖에 안되는 차가운 복사로만 남아 있다. 우주가 팽창한다는 대폭발 이론의 다른 증거들은 우주 초기에 만들어진 원자핵의 존재 비율을 자세히 연구한 결과와 우주 팽창 자체를 관측한 자료에서 찾아볼 수 있다. 우주의 진화를 이해하기 위해 사용하는 방정식은 아인슈타인이 20세기 초에 밝혀낸 방정식이다. 이 방정식은 물질 혹은 에너지 분포로부터 중력장을 계산해 낸다. 이 방정식은 지구과 태양 사이의 중력장에도 적용되지만 동시에 우주 전체에도 적용된다 어떤 것에 적용하든 이 방정식의 결과를 유도하기 위해서는 우리 주변의 물질과 에너지를 알아야 한다. 그래서 우주를 특징짓는 양들을 측정했는데 그 결과 충격적인 결론이 나왔다. 측정값들을 설명하려면 물질과 상관없는 새로운 형태의 에너지가 존재해야 한다는 결론이 나온 것이다. 이 에너지는 입자나 다른 어떤 것이 가지고 있지 않으며 보통 물질들처럼 뭉쳐있지도 않다. 이 에너지는 우주가 팽창하면서 희박해지는 것이 아니라 일정한 밀도를 유지한다. 물질이 없어도 우주 전체에 존재하는 이 정체 모를 에너지 때문에 우주의 팽창은 서서히 가속되고 있다. 게다가 이 에너지는 우주에서 물질이 없는 곳에도 보편적으로 존재한다. 아인슈타인은 이를 보편 상수라고 불렀다. 이 상수를 나중에 물리학자들에게 우주 상수(COSMOLOGICAL CONSTANT)라고 알려졌다. 그러나 이 주장은 우주가 정적이라는 것을 주장하기 위해서였는데 우주가 정적이다는 것이 잘못된 것이라고 생각하고 이 주장을 철회했다. 우주는 지속적으로 팽창하고 있고 이 기묘한 에저지 때문에 점점 더 빠르게 팽창하고 있다.

-그 밖의 우주론적 연구들
우리의 가설은 처음에는 이론적 정합성과 우아함을 갖추고 출발하지만 이 첵을 통해서 보게 되듯이 궁극적으로 무엇이 옳은지를 결정하는 것은 완고한 믿음이 아니라 실험이다.