힉스입자 - 만물의 근원인 입자에 질량을 입히다!

힉스 입자(Higgs boson)는 현대 물리학에서 극지 중요한 입자 중 하나로, 원자력 입자들의 질량을 결정하는 역할을 수행하고 있고, 이러한 입자는 표준 모델에서 예측되는데, 힉스입자를 통해 질량을 얻는 과정을 이해하는 데 매우 중요한 역할을 합니다.

힉스입자가 이론으로 제안된 것은 1964년에 영국의 물리학자 피터 힉스에 의해 알려졌으며 그는 원자력 입자들이 질량을 얻기 위해 힉스 필드라는 것과 상호작용한다는 이론을 발표하여 "힉스 보스온", "힉스 보즈"라고도 불립니다.

 

그러나 힉스입자의 실제 존재는 입증하기 매우 어렵습니다. 힉스입자는 매우 작고 불안정한 입자이기 때문에 직접적으로 탐지하는 것이 힘들어 과학자들은 대힉스 보스온이라는 입자를 탐지하여 힉스입자의 존재를 확인했습니다. 이러한 발견은 2012년 CERN에서의 실험을 통해 이루어진 것으로 , 이는 현대 물리학의 역사상 가장 큰 사건 중의 하나입니다.

힉스입자에 대해서 더 자세히 살펴보자면 아래와 같습니다.

 

힉스입자는 소립자의 일종입니다.,

질량의 기원을 설명하는 이론인 힉스 메키니즘에서 존재가 예측된 소립자이며, 2011년 이후 힉스 입자의 존재가 관측되어 힉스 메커니즘의 정확성이 입증되었습니다.

 

힉스입자의 개요

질량의 기원을 설명하기 위해 1964년 에든버러 대학의 피터 웨어 힉스(Peter Ware Higgs)는 자발적 대칭적 붕괴에 기반한 이론을 제시하였습니다. 이 이론을 힉스 메카니즘이라고 합니다.

힉스 메커니즘에서는 힉스장이라는 스칼라장이 도입되고, 이에 대응하는 스칼라 입자도 동시에 도입됩니다. 이를 힉스 입자라고 부릅니다. 힉스 입자는 스핀 0, 전하 0의 보스 입자입니다.

힉스 메커니즘을 포함한 이론 모델이 현실에 부합하는지를 판단하는 데 있어, 그 모델에 대응하는 힉스 입자가 존재하는지 실험적으로 검증하는 것이 관건입니다. 힉스 입자라는 말은 넓은 의미로는 힉스 메커니즘에서 나타나는 입자를 의미하지만, 특히 표준모형의 힉스 입자를 지칭하는 경우가 많으며 표준 모형에서 위크보손(W± Z)은 힉스 메커니즘에 의해 질량을 획득하는 것을 알려져 있으며, 쿼크와 렙톤도 힉스장과의 상호작용을 통해 질량을 획득하는 것으로 알려져 있습니다.

 

힉스 메커니즘

힉스 메커니즘은 피터 힉스가 1964년 제안한 게이지 대칭성의 자발적 파괴에 관한 이론입니다. 이 이론에 따르면, 남방-골드스톤 입자는 물리적으로 나타나지 않고, 그 자유도는 게이지 장의 수직 성분으로 흡수되어 게이지 장은 벡터 입자를 행동하게 됩니다. 이 이론은 질량을 가진 벡터 입자를 매우 기본적인 대칭성에 기초한 게이지 장으로 해석할 수 있게 해 줍니다. 즉, 힉스 메커니즘은 질량의 기원에 대한 합리적인 설명을 제공할 수 있습니다. 이 이론에서는 '진공'과 같은 양자 수를 가진 스칼라 입자가 나타난다고 하는데, 이 가설이 옳다는 것을 증명하기 위해서는 이 소위 '힉스입자'를 실험적으로 찾아내는 것이 과제가 되었습니다.

힉스 메커니즘에서는 우주의 초기 상태에서는 모든 소립자가 자유롭게 움직일 수 있고 질량이 없었지만, 저온 상태가 되면서 힉스장에 자발적인 대칭성이 깨지면서 진공 기대치가 발생했다고 봅니다. 이로 인해 대부분의 다른 소립자들이 이에 부딪혀 저항을 받게 됩니다. 이것이 소립자의 움직임의 어려움, 즉 질량이고, 질량의 크기는 진공 기대치가 발생한 힉스장과 물질의 상호작용의 강도로, 힉스장이라는 풀 속에 물질이 가라않자 있기 때문에 질량을 획득할 수 있다고 봅니다. 광자는 힉스장의 저항을 받지 않기 때문에 상전이 후의 우주에서도 자유롭게 돌아다닐 수 있고, 질량은 0이라고 추측합니다.

힉스입자의 존재가 의미를 갖는 것은 빅뱅, 진공의 상전이부터 물질의 존재까지를 설명하는 표준이론의 중요한 부분을 구성하기 때문입니다. 만약 힉스입자의 존재가 부정된다면 표준이론은 크게 수정될 수 밖에 없습니다.

매스미디어의 뉴스 보도 등에서 '대칭성 붕괴가 일어나기 전까지는 질량이라는 개념 자체가 존재하지 않는다'는 식으로 소개되는 경우가 있는데, 이는 정확하지 않습니다. 전하, 맛, 색을 갖지 않는 입자, 표준모형 범위 내에서 힉스입자 자체 및 우주의 오른쪽으로 감긴 뉴트리노는 힉스 메커니즘과 무관하게 질량을 가질 수 있습니다. 또한 중력과 질량의 관계, 즉 중력 질량 발생 메커니즘은 공간의 구조에 의해 결정되는 것으로, 표준모형 외부의 일반상대성이론 또는 양자중력 이론에서 중력자의 교환에 의해 설명될 것으로 예상됩니다.

 

표준모형

표준모형 중 전약상호작용을 설명하는 부분인 Weinberg - Salam 모형에서 힉스 메커니즘이 사용되고 있습니다. Weinberg-Salam 모형은 위크보손에 질량이 있다는 것을 무리 없이 설명할 수 있꼬, W 보손과 Z 보손의 질량비가 실험 결과와 일치하기 때문에 소립자 표준모형의 주요한 부분을 차지합니다.

고차 대칭성이 깨져 저차 대칭성으로 넘어갈 때, 와인 바닥형 포텐셜의 바닥을 원주 방향으로 움직이는 모드는 가볍지만, 와인 바닥을 올라가는 모드에는 많은 에너지가 필요합니다. 이 중 전자를 남부 골드스톤 보손이라고 부릅니다. 대칭성이 유지된 상태에서 힉스장은 복소 스칼라 2개로 총 4개의 자유도를 갖지만, 대칭성이 깨지면 3개의 남부-골드스톤 보손이 생겨 3개의 위크보손(W±-Z)에 각각 하나의 성분으로 포함됩니다. 실험 검증을 원하는 힉스입자는 와인 바닥을 오르는 쪽 모드에 해당합니다.

 

힉스입자의 탐색과 발견

소립자의 표준 모형이 힉스 메커니즘에 근거하고 있음을 완전히 입증하기 위해서는 힉스입자의 탐색이 중요합니다. 힉스입자는 표준모형에서 마지막까지 미발견을 남겨진 소립자이며, 이를 실제로 포착하기 위해 오랜 기간 동안 실험이 진행되어 왔습니다. 그 발견은 고에너지 물리학 가속기 실험의 가장 중요한 목적 중 하나로 자리 잡게 되었고, 제네바 교외에 건설되어 2008년부터 가동된 유럽입자물리연구소(CERN)의 대형강입자가속기(LHC)에서의 발견이 기대되고 있었습니다. 그 실험은 쉽지 않은데, LHC를 이용한 충돌 실험에서도 이론적 계산에 따르면 약 10조 번 중 한 번밖에 생성되지 않는다고 합니다. 즉 이론이 맞더라도 그로 인해 예측되는 입자는 거대하고 막대한 장비와 많은 인력을 오랜 기간 동안 투입하는 방식으로 실험을 진행해도 생성 자체가 매우 어렵다고 알려져 있습니다.

2011년 12월, CERN은 두 연구 그룹이 제시한 LHC의 10월 말까지의 실험 데이터 중 힉스입자의 존재를 암시하는 데이터가 있음을 발견하고, 12일 힉스 입자를 엿볼 수 있었다고 발표하였습니다. 이것은 '발견'의 발표가 아니었습니다. 발표 말미에 CERN 소장은 "힉스입자가 발견되었는지 여부를 결정하기 위해서는 더 많은 데이터가 필요하다"라고 말했고, 다음 가동 기간이 끝나면 결정될 것이라고 말했습니다.

이후 2012년 7월 4일 , 이 시설에서 "새로운 입자를 발견했다"고 발표했고, 우리가 찾던 힉스 입자가 아닌지에 대해서는 확정적으로 표현되지 않았으며, 더 정밀하게 확인하기 위한 실험이 계속되었습니다.

2013년 3월 14일 CERN은 2012년 7월 31일 당시보다 2.5배나 많은 데이터를 분석한 결과, 새로운 입자가 힉스입자임을 강력하게 시사한다고 발표했습니다. 예를 들어, 힉스입자는 이론적으로 스핀각 운동량이 0이라고 알려져 있는데, 데이터 분석 결과 이와 일치하는 것으로 확인됐습니다.

 

결론

힉스입자의 발견은 현대 물리학에 큰 영향을 미치며, 특히 표준 모델이라는 입자들의 상호작용을 설명하는 핵심 이론에 매우 중요한 부분으로 힉스입자는 질량 제공자로서의 역할을 담당하여 다른 입자들이 질량을 가지게 하고, 이는 자연력에 매우 중요한 영향을 미친다 할 수 있습니다.

또한 힉스입자의 연구는 더욱 깊은 이해를 위해 지속적으로 진해되어, 힉스입자와 관련된 기술은 의료, 에너지, 통신 등 다양한 분야에 응용될 수 있으며, 미래에 더 혁신적인 변화를 가져올 수 있습니다. 이러한 연구들은 우리가 우주의 기원과 구성에 대해 더 많은 통찰력을 얻을 수 있도록 도와줄 것으로 기대됩니다.