3'30" 읽기
- 빅뱅 이후 몇 분의 1초만에 힉스장은 자발적으로 대칭을 깨뜨렸다.
- 필드를 설명하는 방정식은 여전히 ​​대칭이지만 물리적 현실만 그렇지 않다.
- 삼중 커플링의 붕괴 생성물을 찾기 시작
- 2022년 여름에 시작되는 LHC의 세 번째 기간에 더 많은 더 나은 데이터를 기대

힉스의 비밀
대칭 끊김, 솜브레로 및 자기 상호 작용 정보

힉스 입자는 물리학의 표준 모델(Standard Model of Physics)에서 상당한 격차를 메웠다. 그럼에도 불구하고, 발견된 후에도 힉스장과 입자 자체에 대해서는 여전히 많은 것이 불분명하다. 영국의 물리학자 존 엘리스(John Ellis)는 "힉스 입자는 우리의 이론이 환상적으로 작동한다고 알려준다"고 말했다. "힉스입자는 종종 표준 모델을 완성하는 입자로 제시된다. 그러나 실제로는 완전히 새로운 질문을 제기한다.” 

▲ 솜베로 또는 샴페인 병 모델로 표현되는 힉스 필드. © Gonis /CC-by-sa 3.0

힉스장에서 자발적 대칭 깨짐

이러한 질문 중 하나는 힉스장의 형성과 특성에 관한 것이다. 노벨상 수상자이자 전 CERN 사무총장인 카를로 루비아(Carlo Rubbia)는 "힉스입자는 자연의 근본적인 힘 중 최초이자 지금까지 유일한 스칼라 입자"라고 설명했다. "다른 힘들과 달리 힉스장은 선호하는 방향이 없으며 반사될 때 항상 동일하게 보인다." 이론에 따르면 이 장은 원자가 있기 훨씬 이전 빅뱅 직후에 생성되었다. 원래 상태에서 힉스 필드의 스칼라 값은 모든 곳에서 평균 0이었다. 결과적으로, 아무도 질량 질량을 갖지 않았다.

그러나 빅뱅 이후 몇 분의 1초만에 힉스장은 자발적으로 대칭을 깨뜨렸다. 즉, 새로운 구성을 가정했으며, 그 값은 평균 약 246GeV의 에너지에 해당다. 그 결과 다른 장과 입자에 영향을 미치고 일부에 질량을 부여하기 시작했다. 그것에 대해 겉보기에 역설적인 점은 이 필드를 설명하는 방정식은 여전히 ​​대칭이지만 물리적 현실만 그렇지 않다.

물리학자들은 솜브레로*(Sombreros) 또는 샴페인 병 모델을 사용해 힉스장의 자발적인 대칭 깨짐을 설명한다. 스칼라 장은 샴페인 병 또는 구부러진 솜브레로의 불룩한 바닥과 유사합니다. 중앙 입면에서 연필의 균형을 맞춘다면 모든 것이 완벽하게 대칭이 될 것이다. 필드의 모양이 이를 가능하게 한다. 그러나 실제로는 펜이 상당히 빨리 넘어져서 한 방향으로 떨어진다. 적어도 펜의 경우 대칭이 깨진다. 필드의 모양은 변경되지 않지만.
(*솜브레로:모자의 종류 중 하나. 멕시코에서 기원한 챙이 넓은 모자. 어원은 그림자를 의미하는 솜브라. 사실 원래 스페인어로 뜻은 그냥 모자)

모자 챙 뒤에 무엇이 있을까?

이 시나리오의 문제는 지금까지 힉스 필드가 실제로 솜브레로 모델로 설명될 수 있는지 여부와 모자 챙의 상승 가장자리 뒤에서 어떻게 계속되는지 명확하지 않다. 필드가 "모자 테두리"의 계곡보다 훨씬 더 낮은 값을 가정할 수 있는 그 뒤에 심연이 있을 수 있을까? 그러면 필드는 준안정 상태가 되어 새롭고 더 낮은 에너지 상태로 넘어갈 수 있다. 반면에 "모자 챙"의 값이 바깥쪽으로 계속 증가한다면 힉스장(higgs-field)은 안정될 것이다.

이 질문에 답하는 한 가지 방법은 소위 힉스 입자의 삼중 결합이다. 힉스입자와 힉스입자의 상호 작용을 설명하는 행동이다. 이론상 힉스는 표준모형에서 자기 자신과 상호작용하는 유일한 입자일 수 있다. 이 경우 일부 힉스입자는 입자 가속기에서 2개의 힉스입자로 붕괴되어야 한다.

▲ CMS 검출기의 이러한 입자 트랙은 힉스 입자의 삼중 결합을 나타낼 수 있다. © CERN/CMS

결론적으로, 이 삼중 결합이 존재한다면, 그것의 풍부함과 그것이 발생하는 에너지는 힉스장이 표준 모델의 예측을 따르는지 또는 감지되지 않은 입자 또는 힘의 형태로 "새로운 물리학"의 여지가 있는지 밝혀줄 수 있다. LHC의 ATLAS 협력은 이미 이러한 삼중 커플링의 붕괴 생성물을 찾기 시작했으며 물리학자들도 2022년 여름에 시작되는 LHC의 세 번째 기간에 더 많은 더 나은 데이터를 기대하고 있다.

힉스는 나눌 수 없는가?

ATLAS 협력의 물리학자들은 현재 힉스 입자에 대한 또 다른 질문을 연구하고 있다. 광자, 쿼크 및 글루온과 같은 실제적이고 나눌 수 없는 소립자일까, 아니면 힉스입자가 하위 구조를 가질 수도 있을까? 표준 모델을 넘어서는 물리적 프로세스의 일부 모델은 이것을 예측한다.

이에 따르면, 힉스는 원자핵에서 양성자와 중성자를 묶는 중간 역할을 하는 업 쿼크와 안티 다운 쿼크로 구성된 입자인 파이온과 비슷할 수 있다.

힉스 입자의 그러한 하부 구조는 이국적인 "벡터 같은" 쿼크의 형성으로 알아볼 수 있다.
2021년 ATLAS 협업의 물리학자들은 LHC의 충돌 데이터에 대한 첫 번째 평가를 발표했다. 그러나 지금까지 이것들은 힉스입자가 표준 모형에 설명된 대로 행동하고 따라서 실제 소립자임을 나타내었다.

힉스 입자와 그 특성에 대한 연구는 이제 막 시작되었을 뿐이다. "만약 우리가 힉스의 특성을 측정할 수 있다면, 그것은 물리학의 불타는 질문들 중 일부에 대한 답을 줄 것이다"라고 프린스턴 대학 고등 연구 연구소의 물리학자 Nima Arkani-Hamed가 설명했다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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